Dekoreret med elektrisk strøm, Nanoribbons Justerer med forventninger

(PhysOrg.com) - Et bizart stof, der forudsiges at krympe elektronik og give kvantefysikere, at et nyt bordlegetøj opfører sig stort set som dets designere forventede.

Sidste måned i Naturmaterialer , SLAC -forskere og deres kolleger på Stanford bekræftede, hvordan elektrisk strøm bevæger sig på små bånd af topologisk isolator - et materiale, der isolerer i sin masse, men leder usædvanligt godt på overfladen. Arbejdet kom fra et tæt samarbejde mellem forskningsgrupperne fra Stanford -forskeren Yi Cui, og Zhi-Xun Shen og Shoucheng Zhang fra Stanford Institute for Materials and Energy Science.

"Elektriske strømegenskaber er meget vanskelige at undersøge i en typisk bulkprøve af disse topologiske isolatorer, "sagde Shen, direktør for SIMES, et fælles Stanford/SLAC -institut. "Ved at lave meget små nanoribbons kunne vi undersøge de unikke overfladeegenskaber."

I ekstremt tynde bånd af forbindelsen bismuth selenid, det store forhold mellem kanter og indre gør materialets sejeste egenskaber lette at opdage. Elektroner, der kører på nanoribbon -overfladen, flyder især glat, handle som om de ikke har nogen masse, og få et fast spin - i hvert fald når båndene er nedsænket i frigid flydende helium. I princippet, ejendommene kunne strække sig til stuetemperatur.

"Det åbner en masse fremtidige applikationer, "sagde SIMES-fysiker og medforfatter Yulin Chen. Materialet kan være en velsignelse for spintronics, en teknologi, der bruger elektron -spin til at gemme oplysninger. Anvendelserne af spintronics omfatter små computerchips og sensorer, og kvanteberegning.

Men ansøgninger er bare en del af stoffets appel. På grund af deres unikke overfladeegenskaber, båndene åbner nyt testområde for fysikteorier, sagde medforfatter Keji Lai, en postdoktor i Shens gruppe. "Eksplosionen" af forskningsartikler om emnet, siden disse eksotiske egenskaber blev forudsagt i 2006, taler til fysikernes begejstring.

"Vi kan faktisk lege med bordpladesystemer og forstå kvantemekanik på meget højt niveau, "Sagde Lai." Dette [nye resultat] baner virkelig vejen for den slags eksperimenter. "

Værket voksede ud af en afslappet samtale mellem Lai og materialeforsker Hailin Peng, tidligere i Cui -gruppen ved Stanford Department of Materials Science and Engineering og nu på fakultetet ved Peking University, Kina.

"Jeg chattede med ham over frokosten og fortalte ham denne familie af interessante materialer, ”Sagde Lai.” Han kom tilbage dagen efter og sagde, at de havde en idé om, hvordan man bygger dem og gør dem meget tynde. En uge senere, han viste mig elektronmikroskopbilleder af disse materialer i båndform. "

Peng, sammen med Cuis kandidatstuderende Desheng Kong og Stefan Meister, brugte en velkendt teknik kaldet "Vapor-Liquid-Solid Synthesis" til at dyrke båndene. Bismuth selenid damp reagerer under lavt tryk og ovnvarme med specielt fremstillede guld nanopartikler for at danne små flydende dråber. Når den er mættet, væsken begynder at spire faste bismuth selenidbånd, hver fastgjort til en guldpartikel. Diameteren af ​​guldpartiklerne dikterer nanoribbons tykkelse.

At gøre nanoribbons tyndere og tyndere - indtil de er praktisk talt alle overflader - kan være nøglen til at se deres sære adfærd ved stuetemperatur. Ifølge Stanford materialeforsker Yi Cui, der stadig samarbejder med Peng, de kan nu lave nanoribber, der kun er 10 atomer tykke- 25 gange tyndere end dem, der er beskrevet i december-artiklen.

På så små afstande, elektroner på toppen og bunden af ​​nanoribbons kan krydstale, ifølge forudsigelser fra medforfattere og SIMES -forskere Zhang og Xiaoliang Qi. Kun teori har undersøgt den bizarre adfærd, denne kommunikation ville forårsage.

"Vi er lidt i gang med at udforske videnskaben i øjeblikket, "Lai sagde." I de tidlige dage med halvledere brugte folk meget tid på bare at forstå den grundlæggende videnskab. Når de først havde beskrevet de fysiske egenskaber ved disse materialer, ingeniørerne var meget magtfulde til at bygge komplicerede strukturer og bringe dem til dagligdagen. "

Både Lai og Chen vil gerne se flere materialeforskere og ingeniører slå til.

"Vores opgave er at motivere og inspirere flere mennesker til at deltage i feltet, "Jo flere mennesker deltager i dette felt, jo hurtigere kan fremskridtet være."