Forskere finder vridende 3-D raceway for elektroner i nanoskala krystalskiver

Forskere har skabt en eksotisk 3D-racerbane for elektroner i ultratynde skiver af et nanomateriale, de fremstillede ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Det internationale team af forskere fra Berkeley Lab, UC Berkeley, og Tyskland observerede, for første gang, en unik adfærd, hvor elektroner roterer omkring en overflade, derefter gennem hovedparten af ​​materialet til dens modsatte overflade og tilbage.

Muligheden for at udvikle såkaldt "topologisk stof", der kan bære elektrisk strøm på overfladen uden tab ved stuetemperatur, har tiltrukket betydelig interesse i forskningsmiljøet. Det endelige mål er at nærme sig den tabsfrie ledning af en anden klasse materialer, kendt som superledere, men uden behov for det ekstreme, frysetemperaturer, som superledere kræver.

"Mikrochips mister så meget energi ved varmeafledning, at det er en begrænsende faktor, "sagde James Analytis, en personaleforsker ved Berkeley Lab og assisterende professor i fysik ved UC Berkeley, der ledede undersøgelsen, udgivet i Natur . "Jo mindre de bliver, jo mere de varmer op. "

Det undersøgte materiale, et uorganisk semimetal kaldet cadmiumarsenid (Cd3As2), udviser kvanteegenskaber - som ikke forklares med de klassiske fysiske love - der tilbyder en ny tilgang til at reducere spildenergi i mikrochips. I 2014, forskere opdagede, at cadmiumarsenid deler nogle elektroniske egenskaber med grafen, et enkelt atom-tykt materiale, der også ser efter næste generations computerkomponenter, men i en 3D-form.

"Det spændende ved disse fænomener er, at i teorien, de påvirkes ikke af temperatur, og det faktum, at de findes i tre dimensioner muligvis gør fremstilling af nye enheder lettere, "Sagde Analytis.

Cadmiumarsenidprøverne viste en kvanteegenskab kendt som "chiralitet", der kobler en elektrones grundlæggende egenskab ved spin til dets momentum, hovedsageligt at give det venstre- eller højrehåndede træk. Eksperimentet gav et første skridt mod målet om at bruge kiralitet til transport af ladning og energi gennem et materiale uden tab.

I forsøget, forskere fremstillede og studerede, hvordan elektrisk strøm bevæger sig i skiver af en cadmium -arsenkrystal, der kun er 150 nanometer tyk, eller omkring 600 gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, når de udsættes for et højt magnetfelt.

Krystalprøverne blev fremstillet på Berkeley Labs Molecular Foundry, som har fokus på at bygge og studere nanoskala materialer, og deres 3D-struktur blev detaljeret ved hjælp af røntgenstråler ved Berkeley Labs avancerede lyskilde.

Mange mysterier er tilbage om de eksotiske egenskaber ved det undersøgte materiale, og som et næste trin søger forskere andre fremstillingsteknikker til at bygge et lignende materiale med indbyggede magnetiske egenskaber, så der kræves ikke noget eksternt magnetfelt.

"Dette er ikke det rigtige materiale til en ansøgning, men det fortæller os, at vi er på rette vej, "Sagde Analytis.

Hvis forskere har succes med deres ændringer, et sådant materiale kunne tænkes at blive brugt til at konstruere forbindelser mellem flere computerchips, for eksempel, for næste generations computere, der er afhængige af en elektrones spin for at behandle data (kendt som "spintronics"), og til at bygge termoelektriske enheder, der omdanner spildvarme til elektrisk strøm.

Det var først ikke klart, om forskergruppen overhovedet ville være i stand til at fremstille en ren nok prøve i den lille skala, der kræves for at udføre forsøget, Analytis sagde.

"Vi ville måle overfladetilstandene for elektroner i materialet. Men dette 3D-materiale leder også elektricitet i hovedparten-det er det centrale område-såvel som ved overfladen, "sagde han. Som et resultat, når du måler den elektriske strøm, signalet er oversvømmet af, hvad der foregår i hovedparten, så du aldrig kan se overfladens bidrag. "

Så de skrumpede prøven fra milliontedele af en meter til nanoskalaen for at give dem mere overfladeareal og sikre, at overfladesignalet ville være det dominerende i et eksperiment.

"Vi besluttede at gøre dette ved at forme prøver til mindre strukturer ved hjælp af en fokuseret stråle af ladede partikler, "sagde han." Men denne ionstråle er kendt for at være en hård måde at behandle materialet på - den er typisk iboende skadelig for overflader, og vi troede, at det aldrig ville fungere. "

Men Philip J.W. Moll, nu på Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer i Tyskland, fundet en måde at minimere denne skade og tilvejebringe fint polerede overflader i de små skiver ved hjælp af værktøjer på Molecular Foundry. "At skære noget og samtidig ikke ødelægge det er naturlige modsætninger. Vores team måtte skubbe ionstrålefabrikationen til dets grænser for lav energi og stram strålefokus for at gøre dette muligt."

Når forskere tilførte en elektrisk strøm til prøverne, de fandt ud af, at elektroner kører rundt i cirkler, der ligner, hvordan de kredser om et atomkerne, men deres vej passerer gennem både overfladen og hovedparten af ​​materialet.

Det påførte magnetfelt skubber elektronerne rundt om overfladen. Når de når den samme energi og fremdrift som bulkelektronerne, de bliver trukket af massens chiralitet og skubbet igennem til den anden overflade, gentage denne underligt snoede vej, indtil de er spredt af materielle defekter.

Eksperimentet repræsenterer et vellykket ægteskab mellem teoretiske tilgange med de rigtige materialer og teknikker, Analytis sagde.

"Dette var blevet teoretiseret af Andrew Potter på vores team og hans kolleger, og vores eksperiment markerer første gang, det blev observeret, "Analytis sagde." Det er meget usædvanligt - der er ingen analoge fænomener i noget andet system. De to overflader af materialet 'taler' til hinanden over store afstande på grund af deres kirale karakter. "

"Vi havde forudsagt denne adfærd som en måde at måle de usædvanlige egenskaber, der forventes i disse materialer, og det var meget spændende at se disse ideer komme til live i virkelige eksperimentelle systemer, sagde Potter, en assisterende fysikprofessor ved University of Texas i Austin. "Philip og samarbejdspartnere lavede nogle store innovationer for at producere ekstremt tynde prøver af høj kvalitet, som virkelig gjorde disse observationer mulige for første gang. "

Forskere fandt også ud af, at uorden i mønsteret af materialets krystaloverflade ikke ser ud til at påvirke elektronernes adfærd der, selvom uorden i det centrale materiale har indflydelse på, om elektronerne bevæger sig på tværs af materialet fra den ene overflade til den anden.

Elektronernes bevægelse udviser en dobbelthåndethed, med nogle elektroner, der bevæger sig rundt om materialet i en retning, og andre sløjfer rundt i en modsat retning.

Forskere bygger nu på dette arbejde med at designe nyt materiale til igangværende undersøgelser, Analytis sagde. "Vi bruger teknikker, der normalt er begrænset til halvlederindustrien til at lave prototype -enheder af kvantematerialer."