Materialeforskere udvikler topologisk isolator med en switch

(PhysOrg.com) - Forskere ved Stanford og SLAC har fundet en potentiel måde at udnytte de fantastiske egenskaber ved topologiske isolatorer - materialer, der kun leder elektricitet langs deres overflader - til brug i elektronik og andre applikationer.

Et papir udgivet online i denne uge i Naturnanoteknologi beskriver, hvordan de kombinerede to tidligere kendte topologiske isolatorer for at skabe en ny, der kun bærer overfladestrømme. De lavede derefter dette materiale til ekstremt tyndt, små plader og viste, at de kunne styre de elektroniske egenskaber ved disse nanoplader ved hjælp af en port - hovedsageligt, en transistor, der åbner og lukker for at skifte materialet fra en tilstand til en anden.

“Gating er meget vigtigt for elektroniske enheder, ”Sagde medforfatter Yi Cui, en lektor ved fakultetet i Stanford og SLAC, og at kontrollere egenskaberne for disse nye materialer "er virkelig grundlaget for fremstilling af fremtidige elektroniske enheder til informationsbehandling."

Forskningen kombinerede indsatsen fra fysikere og materialeforskere ved SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, som er et fælles institut for SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University.

En gruppe, der arbejdede med Stanford Associate Prof. Ian Fisher, forberedte krystaller af den nye forbindelse, som indeholder tre elementer - vismut, antimon og tellur. En anden gruppe, under ledelse af SLAC-chefforsker Zhi-Xun Shen, testet forskellige kombinationer af de tre elementer for at se, hvilken der havde de bedste elektroniske egenskaber, ved hjælp af instrumenter på Advanced Light Source på Lawrence Berkeley National Laboratory.

De ledte efter den kombination, der tillod den højeste strøm at flyde på overfladen af ​​materialet og den mindste mængde strøm til at strømme gennem det indre, som er kendt som bulk -materialet. Denne indre strøm forstyrrer en topologisk isolators ønskelige kvaliteter.

Endelig, Kuis gruppe dannede forbindelsen til seks-sidede nanoplader, hvis egenskaber kunne styres ved at tænde og slukke en separat elektrisk strøm; det er gating -delen. Ved at vende kontakten en måde fik forbindelsen til at opføre sig som et n-type materiale-et, hvor elektricitet ledes af negativt ladede elektroner. Ved at vende kontakten den anden vej, blev forbindelsen til et materiale af p-type, hvor positivt ladede “huller” bar strømmen. Dagens elektroniske chips indeholder både p- og n-type materialer.

Denne undersøgelse er blandt de første til tydeligt at demonstrere, at det er muligt at bruge en port til at skifte hele stykke topologisk isoleringsmateriale mellem disse to tilstande.

"Det er faktisk meget vigtigt for enhver form for elektronisk materiale, ”Sagde Desheng Kong, en fjerdeårs kandidatstuderende i Kuis laboratorium, der er første forfatter til rapporten. ”Du vil ikke kun forstå dem, men for at kontrollere deres ejendomme. ”

Det faktum, at materialets egenskaber kan indstilles ved at anvende en portstrøm, betyder også, at du ikke behøver at starte med et perfekt materiale for at opnå god ydeevne, tilføjede SLAC -personaleforsker Yulin Chen, rapportens anden forfatter. "Det er pænt, Sagde han. “Og selvfølgelig, i det lange løb, folk vil blive ved med at gøre materialerne bedre og bedre. ”

Nye enheder er hårdt nødvendige, fordi nytten af ​​nutidens halvlederteknologi er ved at være slut, sagde SIMES Prof. Shoucheng Zhang, der ikke var involveret i denne undersøgelse.

Han sagde, at en af ​​de største hindringer for fortsættelsen af ​​Moores lov - tanken om, at antallet af transistorer, der kan presses ind på et integreret kredsløb, vil fordobles hver 18. måned - er, at elektronerne, der bevæger sig inde i dagens chips, spredes for meget varme. “Du føler faktisk, at når du lægger din bærbare computer på dit skød, Sagde han. ”Det er ikke bare irriterende, men en chip fungerer ikke længere, ved en bestemt hastighed, ”Når det bliver for varmt.

"Dette er blevet et så grundlæggende problem, at mange mennesker tror, ​​at den eneste måde at løse det på er at ændre chipens grundlæggende arkitektur og driftsprincip, ”Sagde Zhang, "Og det er en legeplads for fysikere."

Den potentielle fordel ved at bruge topologiske isolatorer til at transportere strømme i chips er, at elektroner, der bevæger sig langs materialets tynde overflade, gør det med stor effektivitet og genererer meget lidt varme. Det er ikke kun overfladens tyndhed, der spiller en rolle; det er det faktum, at disse elektroner udviser noget, der kaldes "quantum spin Hall -effekten, "en af ​​de uhyggelige erkendelser af kvantemekanik. I modsætning til elektroner i konventionelle materialer, hver elektron i en topologisk isolator bevæger sig i en retning vinkelret på dens spin.

Nettoeffekten er, at elektronerne flyder jævnt i samme retning uden modstand, roligt svinger rundt om forhindringer - såsom utilsigtede forurenende stoffer eller defekter i materialet - frem for at kollidere og svinge af i alle retninger. Som Zhang forklarer det, det er forskellen mellem en Ferrari, der kører gennem en overfyldt markedsplads, og den samme bil, der kører ned ad en motorvej.

Spændingen omkring topologiske isolatorer er ikke begrænset til deres potentielle anvendelighed i elektroniske enheder. De kunne også give forskere indsigt i en lang række eksotiske fænomener, herunder hypotetiske partikler kaldet aksioner, som kunne hjælpe med at forklare mørkt stof, og magnetiske monopoler.

Det var Zhang, der i 2006, hjalp med at starte en gal streg for at undersøge topologiske isolatorer ved at forudsige, at en legering af kviksølv og tellur ville opføre sig som en. Inden for et år, en gruppe i Tyskland lavede denne forbindelse og viste, at den faktisk virkede, men kun ved meget lave temperaturer. I 2009, Chen, Shen, Fisher og deres kolleger beviste, at vismut tellurid - en billigere, mere rigeligt og lettere at håndtere materiale-er en topologisk isolator ved stuetemperatur, og feltet tog virkelig fart.

Det seneste resultat er ”et vigtigt skridt, ”Sagde Zhang, i den verdensomspændende indsats fra mange grupper af forskere for at udnytte egenskaberne af disse nye materialer.