Små nanopartikler forbedrer ladningstransporten

Tredimensionelle topologiske isolatorer er materialer, der kan lede elektrisk strøm uden modstand - men kun på deres overflade. Imidlertid, denne effekt er svær at måle. Dette skyldes, at disse materialer normalt har et lille overfladeareal i forhold til deres volumen, hvilket betyder, at deres transportegenskaber er domineret af bulklastskibe.

Bielefeld University fysikere er nu lykkedes med at udvikle topologiske isolatorer baseret på bittesmå nanopartikler og har dermed været i stand til at demonstrere ladningstransport på overfladen. Undersøgelsen blev udført i samarbejde med forskere fra universitetet i Duisburg-Essen og Leibniz Institut for faststof- og materialeforskning Dresden. Forskerne har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Lille .

Topologiske isolatorer har egenskaber, der kun kan beskrives af kvantefysik. Det specielle ved disse kvantematerialer er, at deres bulk slet ikke leder eller kun meget dårligt, mens ladningsbærere kan bevæge sig uden indblanding i beskyttede transportkanaler på deres overflade. Forbindelsen bismuthtellurid er et materiale med sådanne beskyttede transportkanaler.

"Makroskopisk store prøver af disse tredimensionelle topologiske isolatorer, imidlertid, har et meget højt volumen sammenlignet med deres overfladeareal. Som resultat, der er mange flere bulk charge carriers, hvilket betyder, at deres dårlige ladningstransport dominerer over ladningstransporten på overfladen, " siger professor Dr. Gabi Schierning fra forskergruppen Thin Films and Physics of Nanostructures ved Bielefeld University. "Selvom de særlige transportegenskaber for tredimensionelle topologiske isolatorer forudsiges i teorien, det er svært at undersøge dem i eksperimenter."

For at komme uden om dette problem, forskerne bruger nanopartikler. Fordi disse partikler er så små, de har et stort overfladeareal i forhold til deres volumen. Schierning og hendes kolleger har nu komprimeret nanopartikler af vismuttellurid til pellets fem millimeter brede og 0,5 millimeter tykke - og produceret en tredimensionel topologisk isolator, der består af nanoenheder.

Makroskopiske materialeprøver med talrige grænseflader

"Med dette trick, vi formåede at skabe makroskopiske materialeprøver med et stort antal grænseflader og overflader. Vores undersøgelse viser, at de beskyttede ladningsbærere på disse overflader kan undersøges, og at elektrisk strøm ledes meget godt der, " siger Sepideh Izadi, en ph.d.-studerende i Schiernings forskningsgruppe og hovedforfatter på undersøgelsen. Schierning tilføjer, at deres "specielle materialedesign har gjort det muligt for os at tease egenskaber, som vi kender fra teorien, men som vi ikke kunne se før. Det er det, der gør arbejdet så specielt for mig."

Undersøgelsen blev udført i tæt samarbejde med forskere fra University of Duisburg-Essen og Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden. Først, materialeprøverne blev udarbejdet i forskningsgruppen af ​​professor dr. Stephan Schulz fra universitetet i Duisburg-Essen. Dette krævede meget arbejde:nanopartiklerne skal have meget rene overflader, for eksempel, og ikke reagere med miljøet. "De skal også bringes sammen, så de klæber til hinanden - som at bygge et sandslot - men på samme tid, de må ikke komprimeres så meget, at de beskyttede transportkanaler på grænsefladerne går tabt, " siger Schierning.

Forskerne brugte derefter forskellige metoder til at undersøge ladningstransporten på grænsefladerne og overfladerne. Sammen med kolleger fra Leibniz Institute for Solid State and Materials Research i Dresden, for eksempel, Bielefeld-forskerne målte, hvor godt materialeprøven leder strøm under forskellige forhold, ved forskellige temperaturer eller med forskellige magnetfelter. "Resultaterne er en klar indikation af transportmekanismer i en tredimensionel topologisk isolator, " siger Schierning.

Undersøgelserne blev rundet af med terahertz-spektroskopi, som forskerholdet af professor dr. Martin Mittendorff fra universitetet i Duisburg-Essen var ansvarlig for. I denne proces, prøven exciteres med elektromagnetiske bølger i terahertz-området, og den reflekterede stråling måles. Her, også, særlige fænomener blev observeret, som kun forekommer i tredimensionelle topologiske isolatorer - og endda ved temperaturer så lave som omkring minus 70 grader Celsius, ret høje temperaturer for en sådan effekt.

"Vores undersøgelse viser, at tredimensionelle topologiske isolatorer kan realiseres i makroskopisk skala og vise deres egenskaber ved forholdsvis høje temperaturer. Dette er et væsentligt skridt i grundforskningen, og en, der også kunne være vigtig for potentielle anvendelser - men det er vi stadig langt fra, " siger Schierning. Tredimensionelle topologiske isolatorer kunne bruges i kvantecomputere, for eksempel.