Trekantede honningkager:Fysikere designer nyt kvantemateriale

Smartphones, notebooks og andre elektroniske enheder i vores hverdag drager stor fordel af den stadigt stigende miniaturisering af halvlederenheder. Denne udvikling har dog en pris:at begrænse elektroner øger deres spredning – mobiltelefoner varmes op.

Topologiske isolatorer har løfter om en mere effektiv og bæredygtig teknologi. I modstrid med konventionelle halvledere, strømmen flyder på deres grænser, med spredning bliver forbudt takket være symmetriårsager. Med andre ord, ting forbliver cool! I 2007, Laurens Molenkamp, fysiker ved universitetet i Würzburg og medlem af Cluster of Excellence, opdagede det første topologiske kvantemateriale, skabe en verdensomspændende resonans i det videnskabelige samfund.

Indenene – en skjult honningkage

I jagten på nye topologiske materialer, de fleste af teoribestræbelserne hidtil har været fokuseret på todimensionelle atomlag i et honeycomb-arrangement. Motivationen kommer fra grafen, "Drosophila" af quantum spin Hall-systemerne, eller mere enkelt, et enkelt lag af den berømte grafit inde i vores klassiske blyanter i gammel stil. Forskerholdet i Würzburg forfulgte i stedet en alternativ vej:de teoretiske fysikere omkring Giorgio Sangiovanni har foreslået at bruge et enklere trekantet atomgitter.

Denne idé er blevet omsat i praksis af Ralph Claessens eksperimentelle team, talsmand for ct.qmats Würzburg-afdeling. Ved at bruge state-of-the-art molekylære stråleteknikker, det lykkedes forskerne at deponere et enkelt lag indiumatomer som trekantet gitter på en siliciumcarbidkrystal som støtte - hvilket resulterer i indenen. Takket være denne nye kombination af byggesten og kemiske elementer, de relevante elektroner lokaliserer sig ikke direkte på indiumpositionerne, men foretrækker at optage det frie rum imellem dem. Fra elektronernes perspektiv fylder deres ladning det "negative" af det trekantede indiumgitter, som faktisk er et bikagegitter - skjult i atomstrukturens hulrum.

Projektleder Giorgio Sangiovanni forklarer dette gennem partiklernes kvantemekaniske natur:"Man kan beskrive indiumelektronerne som bølger, der hober sig op i hulrummene i det trekantede gitter, hvor man ved første øjekast ikke ville forvente, at de var. Interessant nok, den resulterende 'skjulte' honeycomb-forbindelse fører til en særlig robust topologisk isolator, mere end grafen."

Topologiske kvantematerialer med markante fordele

Det unikke materialedesign, der har ført til syntesen af ​​indenen, kan forbedre den nuværende teknologiske status inden for topologisk elektronik:I modsætning til grafen, indenen behøver ikke at blive kølet ned til ultralave temperaturer for at manifestere dets egenskaber som en topologisk isolator. Dette er en konsekvens af det særligt enkle trekantede gitter, som giver mulighed for store strukturelle domæner, ofte en alvorlig flaskehals i syntesen af ​​andre topologiske materialer.

"Vi var virkelig overraskede, at sådan en simpel atomstruktur kan vise topologiske egenskaber. Dette er et væsentligt aktiv for den succesfulde vækst af perfekte indenenfilm, der kan opfylde de krævende standarder, der kræves for enhedens nanofabrikation. Desuden, brugen af ​​siliciumcarbid som understøttende substrat giver os mulighed for at forbinde til etableret halvlederteknologi, "siger Ralph Claessen, kommentere det videnskabelige resultat.

Outlook

Indenens simple struktur repræsenterer samtidig en udfordring:så snart det enkelte lag af indiumatomer kommer i kontakt med luft, materialet mister sine særlige egenskaber. Af denne grund er forskerne i øjeblikket ved at udvikle et atomært dæklag, der kan beskytte indenen mod uønsket forurening under dets syntese. En løsning på disse problemer vil bane vejen for en storstilet brug af disse topologiske kvantematerialer.