Elektroner på kanten:Atomisk tynde kvantespinhalmaterialer

Quantum spin Hall isolatorer er en klasse af todimensionelle (2D) topologiske tilstande af stof, der er elektrisk isolerende i deres indre, men, i modsætning til halvledere, bære et par endimensionelle (1D) metalliske tilstande, som er strengt begrænset til deres kanter.

Særligt for disse 'edgy' 1D-elektroner er, at de er, hvad fysikere kalder spiralformede:dvs. ledningselektronernes spins er justeret og bundet til den retning, elektronerne bevæger sig langs 1D-kanten, beslægtet med et par spin-polariserede endimensionelle ledninger. Disse spiralformede egenskaber tilbyder potentielle løsninger på problemer inden for elektronik og spintronik, samt kvanteelektroniske enheder.

Ligesom et ark papir bevarer sine to sider, selv når det er krøllet, de fysiske egenskaber af de metalliske kanttilstande af en kvantespin Hall-isolator er bemærkelsesværdigt stabile mod forstyrrelser - de er beskyttet af topologi.

Først teoretisk forudsagt for to årtier siden, dette eksotiske, topologisk tilstand af stof først realiseret i omhyggeligt designet, lagdelte halvlederheterostrukturer.

For nylig, klasser af atomisk tynde krystaller dukker op, ligner den berømte grafen, som er vært for denne elektroniske tilstand af stof som en iboende egenskab.

I deres artikel i Avancerede materialer i april 2021 (link nedenfor), holdet gennemgår de seneste fremskridt inden for materialeteknik sammen med den teoretiske beskrivelse, kortlægning af biblioteket af lovende atomisk tynde kvantespind Hall-isolatorer med henblik på klassiske og kvanteelektroniske anordninger.

For eksempel, temperaturområdet, over hvilket de eksotiske kanttilstande kan udnyttes, skalerer med disse krystallers egenskaber, såsom koblingsstyrken af ​​elektronens spin til dens orbitale momentum.

Mens halvleder-heterostrukturbaserede kvantespin Hall-isolatorer kun er blevet karakteriseret ved flydende heliumtemperaturer (T <4,2 K), seneste fremskridt har set udviklingen af ​​atomisk tynde krystaller, som bevarer deres kvantespind Hall-egenskaber op til 100 K, lovende rumtemperaturdemonstrationer i fremtiden.

Quantum spin Hall isolatorer kunne bruges til nye former for elektronik, der forbruger mindre strøm, men dette ville kræve stuetemperaturdrift for at undgå dyr (og strømkrævende) køling.

Ved ekstremerne af lav temperatur, hvor superledning kan induceres, især lovende kvantecomputerapplikationer er blevet forudsagt. Ved superledning, 1D-kanttilstande er blevet forudsagt at være vært for en eksotisk type kvasipartikel kaldet "Majorana fermioner, " som hverken er fermion eller boson. Ja, disse anyoner fungerer som deres egen antipartikel og adlyder eksotiske ikke-abelske kvasipartikelstatistikker, hvilket gør dem til spændende kandidater som bærere af kvanteinformation.

Ja, på grund af deres topologiske beskyttelse mod eksterne forstyrrelser, disse eksotiske fermioner er blevet forudsagt at tilbyde en potentiel løsning på et almindeligt problem inden for kvanteberegning, som er at bevare lange sammenhængstider – dvs. tidsskalaen, over hvilken kvanteinformation kan lagres og behandles.

Majorana-baseret topologisk kvanteberegning bliver ofte betragtet som et af de mest udfordrende fysiske problemer i vor tid. Det har fået enorm medieopmærksomhed og granskning, især for nylig, fremhæver vigtigheden af ​​fortsat forskning i alternative materialer og enhedsplatforme, hvor topologisk kvanteberegning kan realiseres.

Papiret, Atomisk tynde kvantespindhalsisolatorer (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, og Bent Weber) blev udgivet i Avancerede materialer i april 2021.