Topologiske isolatorer har tabsfri ledning ved kanterne

Atomisk tynde lag af det semimetalliske wolfram-ditellurid leder elektricitet tabsfrit langs smalle, endimensionelle kanaler ved krystalkanterne. Materialet er derfor en anden-ordens topologisk isolator. Ved at opnå eksperimentelt bevis for denne adfærd, fysikere fra universitetet i Basel har udvidet puljen af ​​kandidatmaterialer til topologisk superledning. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Topologiske isolatorer repræsenterer et nøgleområde for forskning, fordi de potentielt kan bruges som superledere i fremtidens elektronik. Materialer af denne art opfører sig som isolatorer på indersiden, hvorimod deres overflader har metalliske egenskaber og leder elektricitet. En tredimensionel krystal af en topologisk isolator leder derfor elektricitet på sin overflade, mens der ikke kan løbe strøm indenfor. I øvrigt, på grund af kvantemekanikken, ledningsevnen på overfladen er næsten tabsfri - elektriciteten ledes over lange afstande uden varmeudvikling.

Ud over disse materialer, der er en anden klasse kendt som andenordens topologiske isolatorer. Disse tredimensionelle krystaller har ledende, endimensionelle kanaler, der kun løber langs bestemte krystalkanter. Materialer af denne art er særligt velegnede til potentielle anvendelser inden for kvanteberegning.

Teoretisk forudsigelse

Eksperter antager, at den semimetale vismut udviser nogle af egenskaberne af et andenordens topologisk materiale. I øvrigt, forskere har også forudsagt - ud fra teori - at atomisk tynde lag af et andet halvmetal, wolfram ditellurid (WTe ₂ ), vil opføre sig som andenordens topologiske isolatorer – med andre ord, de vil lede strøm tabsfrit ved kanterne, mens resten af ​​laget opfører sig som en isolator.

Holdet ledet af professor Christian Schönenberger fra Institut for Fysik og det schweiziske nanovidenskabsinstitut ved universitetet i Basel har nu analyseret bittesmå wolfram-ditellurid-krystaller bestående af mellem et og 20 lag. For at bestemme materialets elektriske egenskaber, de tilsluttede superledende kontakter til det, før de påførte et magnetfelt. Da materialet var følsomt over for oxidation, forskerne arbejdede i en speciel iltfattig kasse og coated wolfram-ditelluridet med en anden krystal, som var stabil i luften.

Karakteristiske svingninger

Ved at analysere strømmen i hovedkrystallen, forskerne opdagede adskillige langsomt henfaldende svingninger. "Mens en ensartet strømfordeling fører til hurtigt henfaldende svingninger, de ekstremt ledende kanttilstande genererer stærkt oscillerende, langsomt henfaldende strømme som dem vi målte, " forklarer Dr. Artem Kononov, førsteforfatter til undersøgelsen og en Georg H. Endress-stipendiat ved Fysisk Institut. "Den eneste mulige forklaring på vores resultater er, at en stor del af strømmen løber langs de smalle kanter."

"Disse observationer understøtter teoretiske forudsigelser om, at wolframditellurid er et topologisk materiale af højere orden. Dette åbner op for nye muligheder for topologisk superledning, som kunne have applikationer inden for områder som kvanteberegning, siger Christian Schönenberger, som undersøger topologisk superledning i stakke af visse todimensionelle materialer som en del af et ERC-projekt.