Ny krystal begrænser elektroner til én dimension til spintroniske applikationer

Spintronics refererer til en række fysiske systemer, som en dag kan erstatte mange elektroniske systemer. For at realisere dette generationsspring, materialekomponenter, der begrænser elektroner i én dimension, er meget eftertragtede. For første gang, forskere har skabt et sådant materiale i form af en speciel vismutbaseret krystal kendt som en topologisk isolator af høj orden.

For at skabe spintronic-enheder, der skal designes nye materialer, der udnytter kvanteadfærd, der ikke ses i hverdagen. Du er sikkert bekendt med ledere og isolatorer, som tillader og begrænser strømmen af ​​elektroner, henholdsvis. Halvledere er almindelige, men mindre velkendte for nogle; disse isolerer normalt, men adfærd under visse omstændigheder, hvilket gør dem til ideelle miniaturekontakter.

Til spintronic applikationer, en ny slags elektronisk materiale er påkrævet, og det kaldes en topologisk isolator. Det adskiller sig fra disse tre andre materialer ved at isolere i hele sin bulk, men leder kun langs dens overflade. Og det, den leder, er ikke selve strømmen af ​​elektroner, men en egenskab ved dem kendt som deres spin eller vinkelmomentum. Denne spinstrøm, som det er kendt, kunne åbne op for en verden af ​​enheder med ultrahøj hastighed og lavt strømforbrug.

Imidlertid, ikke alle topologiske isolatorer er lige:To slags, såkaldt stærk og svag, allerede er oprettet, men har nogle ulemper. Når de udfører spin langs hele deres overflade, de tilstedeværende elektroner har tendens til at spredes, hvilket svækker deres evne til at overføre en spinstrøm. Men siden 2017, en tredje slags topologisk isolator kaldet en højere-ordens topologisk isolator er blevet teoretiseret. Nu, for første gang, en er blevet skabt af et team på Institute for Solid State Physics ved Tokyos universitet.

"Vi skabte en topologisk isolator af højere orden ved hjælp af elementet bismuth, " sagde lektor Takeshi Kondo. "Den har den nye evne, at den kun er i stand til at lede en spinstrøm langs dens hjørnekanter, i det væsentlige endimensionelle linjer. Da spinstrømmen er bundet til én dimension i stedet for to, elektronerne spredes ikke, så spinstrømmen forbliver stabil."

For at skabe denne tredimensionelle krystal, Kondo og hans team stablede todimensionelle skiver af krystal med et atom tykt på en bestemt måde. Til stærke eller svage topologiske isolatorer, krystalskiver i stakken er alle orienteret på samme måde, som at spille kort med billedsiden nedad i et kortspil. Men for at skabe den højere ordens topologiske isolator, orienteringen af ​​skiverne blev vekslet, de metaforiske spillekort blev vendt opad og derefter nedad gentagne gange gennem stakken. Denne subtile ændring i arrangementet gør en enorm ændring i adfærden af ​​den resulterende tredimensionelle krystal.

Krystallagene i stakken holdes sammen af ​​en kvantemekanisk kraft kaldet van der Waals-kraften. Dette er en af ​​de sjældne former for kvantefænomener, som du faktisk ser i det daglige liv, da det er delvist ansvarligt for den måde, hvorpå pulveriserede materialer klumper sig sammen og flyder, som de gør. I krystallen, det klæber lagene sammen.

"Det var spændende at se, at de topologiske egenskaber vises og forsvinder kun afhængigt af den måde, de todimensionelle atomplader blev stablet på, " sagde Kondo. "En sådan grad af frihed i materialedesign vil bringe nye ideer, fører til applikationer, herunder hurtige og effektive spintroniske enheder, og ting, vi endnu ikke har forestillet os."

Undersøgelsen er offentliggjort i Naturmaterialer .