Bismuth-baserede nanoribbons viser topologisk transport, potentiale for nye teknologier

Forskere har skabt nanoribbons af en fremvoksende klasse af materialer kaldet topologiske isolatorer og brugt et magnetfelt til at kontrollere deres halvlederegenskaber, et skridt i retning af at udnytte teknologien til at studere eksotisk fysik og bygge nye spintronic -enheder eller kvantecomputere.

I modsætning til almindelige materialer, der enten er isolatorer eller ledere, topologiske isolatorer er paradoksalt nok begge på samme tid - de er isolatorer indeni, men leder elektricitet på overfladen, sagde Yong P. Chen, en lektor i Purdue University i fysik og astronomi og el- og computerteknik, der arbejdede sammen med doktorand Luis A. Jauregui og andre forskere.

Materialerne kan bruges til "spintronic" -enheder og praktiske kvantecomputere langt mere kraftfulde end nutidens teknologier. I de nye fund, forskerne brugte et magnetfelt til at fremkalde en såkaldt "spiralformet" elektron, en kapacitet, der kunne gøre det muligt at kontrollere elektronernes spin -tilstand.

Resultaterne er detaljeret i et forskningsartikel, der blev vist i den forudgående onlinepublikation af tidsskriftet Naturnanoteknologi den 18. januar og viste, at et magnetfelt kan bruges til at få nanoribberne til at gennemgå en "topologisk overgang, "skifte mellem et materiale, der har et båndgab på overfladen, og et, der ikke har det.

"Silicium er en halvleder, hvilket betyder, at det har et båndgab, en egenskab, der er nødvendig for at tænde og slukke ledningen, grundlaget for siliciumbaserede digitale transistorer til at lagre og behandle oplysninger i binær kode, "Sagde Chen." Kobber er et metal, hvilket betyder, at den ikke har noget båndgab og altid er en god dirigent. I begge tilfælde er tilstedeværelsen eller fraværet af et båndgab en fast ejendom. Det underlige ved overfladen af ​​disse materialer er, at du kan styre, om det har et båndgab eller ikke bare ved at anvende et magnetfelt, så det er lidt afstemt, og denne overgang er periodisk i magnetfeltet, så du kan køre den gennem mange 'gapped' og 'gapless' tilstande. "

Nanoribbons er lavet af bismuth tellurid, materialet bag solid-state køleteknologier såsom kommercielle termoelektriske køleskabe.

"Bismuthtellurid har været arbejdshestematerialet til termoelektrisk køling i årtier, men bare i de sidste par år har folk fundet dette materiale og tilhørende materialer har denne fantastiske ekstra egenskab at være topologiske isolatorer, " han sagde.

Avisen er forfattet af Jauregui; Michael T. Pettes, en tidligere postdoktor ved University of Texas i Austin og nu adjunkt i Institut for Maskinteknik ved University of Connecticut; Leonid P.Rokhinson, en Purdue -professor i fysik og astronomi og el- og computerteknik; Li Shi, BF Goodrich begavet professor i materialeteknik ved University of Texas i Austin; og Chen

Et centralt fund var, at forskerne dokumenterede brugen af ​​nanoribbons til at måle såkaldte Aharonov-Bohm-svingninger, hvilket er muligt ved at lede elektroner i modsatte retninger i ringlignende stier rundt om nanoribbons. Strukturen af ​​nanoribbon - en nanotråd, der er topologisk den samme som en cylinder - er nøglen til opdagelsen, fordi den tillader undersøgelse af elektroner, når de bevæger sig i en cirkulær retning omkring båndet. Elektronerne leder kun på overfladen af ​​nanotråde, spore en cylindrisk cirkulation.

"Hvis du lader elektroner bevæge sig i to stier omkring en ring, på venstre og højre vej, og de mødes i den anden ende af ringen, så vil de forstyrre enten konstruktivt eller destruktivt afhængigt af faseforskellen skabt af et magnetfelt, resulterer i enten høj eller lav ledningsevne, henholdsvis, viser kvantekarakteren af ​​elektroner, der opfører sig som bølger, "Sagde Jauregui.

Forskerne demonstrerede en ny variation af denne oscillation i topologiske isolatoroverflader ved at inducere elektronernes spin -spiralformede tilstand. Resultatet er evnen til at vende fra konstruktiv til destruktiv interferens og tilbage.

"Dette giver meget definitivt bevis på, at vi måler de spiralformede elektroner, "Sagde Jauregui." Vi måler disse topologiske overfladetilstande. Denne effekt er virkelig ikke blevet set særlig overbevisende før for nylig, så nu giver dette eksperiment virkelig klart bevis på, at vi taler om disse spin -spiralformede elektroner, der formerer sig på cylinderen, så dette er et aspekt af denne svingning. "

Fund viste også denne svingning som en funktion af "portspænding, "repræsenterer en anden måde at skifte ledning fra høj til lav.

"Skiftet sker, når nanoribons omkreds kun indeholder et helt tal af den kvantemekaniske bølgelængde, eller 'fermibølgelængde, ', der er afstemt af elektronernes portspænding, der vikler rundt om overfladen, "Sagde Chen.

Det var første gang, forskere har set denne form for portafhængig svingning i nanoribbons og korrelerer den yderligere med den topologiske isolatorbåndstruktur af vismuttellurid.

Det siges, at nanoribbons besidder "topologisk beskyttelse, "forhindrer elektroner på overfladen i at spredes tilbage og muliggør høj ledningsevne, en kvalitet, der ikke findes i metaller og konventionelle halvledere. De blev fremstillet af forskere ved UT Austin.

Målingerne blev udført, mens nanoribberne blev afkølet til cirka minus 273 grader Celsius (næsten minus 460 grader Fahrenheit).

"Vi skal operere ved lave temperaturer for at observere elektronernes kvantemekaniske karakter, "Sagde Chen.

Fremtidig forskning vil omfatte arbejde med at undersøge nanotrådene yderligere som en platform for at studere den eksotiske fysik, der er nødvendig for topologiske kvanteberegninger. Forskere vil sigte mod at forbinde nanotråde med superledere, der leder elektricitet uden modstand, til hybride topologiske isolatorer-superledende enheder. Ved yderligere at kombinere topologiske isolatorer med en superleder, forskere kan være i stand til at bygge en praktisk kvantecomputer, der er mindre modtagelig for de miljøforureninger og forstyrrelser, der hidtil har givet udfordringer. En sådan teknologi ville udføre beregninger ved hjælp af kvantemekanikkens love, gør for computere meget hurtigere end konventionelle computere ved visse opgaver såsom databasesøgninger og kodebrydning.