Ny teknik lader forskere skabe modstandsfrie elektronkanaler

Et internationalt forskerhold ledet af Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har taget de første atomopløsningsbilleder og demonstreret elektrisk styring af en chiral grænsefladetilstand – et eksotisk kvantefænomen, der kan hjælpe forskere med at fremme kvanteberegning og energieffektiv elektronik.

Den chirale grænsefladetilstand er en ledende kanal, der tillader elektroner at bevæge sig i kun én retning, hvilket forhindrer dem i at blive spredt bagud og forårsage energispildende elektrisk modstand. Forskere arbejder på bedre at forstå egenskaberne af chirale grænsefladetilstande i virkelige materialer, men at visualisere deres rumlige karakteristika har vist sig at være usædvanlig vanskelig.

Men nu, for første gang, har atomopløsningsbilleder taget af et forskerhold ved Berkeley Lab og UC Berkeley direkte visualiseret en chiral grænsefladetilstand. Forskerne demonstrerede også on-demand skabelsen af ​​disse modstandsfrie ledende kanaler i en 2D-isolator.

Deres arbejde, som blev rapporteret i tidsskriftet Nature Physics , er en del af Berkeley Labs bredere fremstød for at fremme kvanteberegning og andre kvanteinformationssystemapplikationer, herunder design og syntese af kvantematerialer for at imødekomme presserende teknologiske behov.

"Tidligere eksperimenter har vist, at der eksisterer chirale grænsefladetilstande, men ingen har nogensinde visualiseret dem med så høj opløsning. Vores arbejde viser for første gang, hvordan disse 1D-tilstande ser ud på atomskalaen, herunder hvordan vi kan ændre dem - og endda skabe dem," sagde førsteforfatter Canxun Zhang, en tidligere kandidatstuderende forsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og Institut for Fysik ved UC Berkeley. Han er nu postdoc ved UC Santa Barbara.

Chirale grænsefladetilstande kan forekomme i visse typer 2D-materialer kendt som quantum anomalous Hall (QAH) isolatorer, der er isolatorer i bulk, men leder elektroner uden modstand ved endimensionelle "kanter" - materialets fysiske grænser og grænseflader med andre materialer.

For at forberede chirale grænsefladetilstande arbejdede teamet på Berkeley Labs Molecular Foundry for at fremstille en enhed kaldet snoet monolag-dobbeltlagsgrafen, som er en stak af to atomisk tynde lag af grafen, der er roteret præcist i forhold til hinanden, hvilket skaber et moiré-supergitter, der udviser QAH-effekt.

I efterfølgende eksperimenter ved UC Berkeley Department of Physics brugte forskerne et scanning tunneling mikroskop (STM) til at detektere forskellige elektroniske tilstande i prøven, så de kunne visualisere bølgefunktionen af ​​den chirale grænsefladetilstand. Andre eksperimenter viste, at den chirale grænsefladetilstand kan flyttes hen over prøven ved at modulere spændingen på en gateelektrode placeret under grafenlagene.

I en sidste demonstration af kontrol viste forskerne, at en spændingsimpuls fra spidsen af ​​en STM-sonde kunne "skrive" en chiral grænsefladetilstand ind i prøven, slette den og endda omskrive en ny, hvor elektroner strømmer i den modsatte retning.

Resultaterne kan hjælpe forskere med at opbygge justerbare netværk af elektronkanaler med løfte om energieffektiv mikroelektronik og magnetiske hukommelsesenheder med lav effekt i fremtiden og for kvanteberegning, der gør brug af den eksotiske elektronadfærd i QAH-isolatorer.

Forskerne har til hensigt at bruge deres teknik til at studere mere eksotisk fysik i relaterede materialer, såsom anyons, en ny type kvasipartikel, der kunne muliggøre en rute til kvanteberegning.

"Vores resultater giver information, som ikke var mulig før. Der er stadig lang vej igen, men dette er et godt første skridt," sagde Zhang.

Flere oplysninger: Canxun Zhang et al., Manipulering af chirale grænsefladetilstande i en moiré kvante anomal Hall-isolator, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02444-w

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory