Forskere udtænker tunable conducting edge

Et forskerhold ledet af en fysiker ved University of California, Riverside, har påvist en ny magnetiseret tilstand i et monolag af wolfram-ditellurid eller WTe₂ , et nyt kvantemateriale. Kaldet en magnetiseret eller ferromagnetisk kvantespin Hall-isolator, dette materiale af et-atoms tykkelse har et isolerende indre, men en ledende kant, hvilket har vigtige implikationer for at kontrollere elektronstrømmen i nanoenheder.

I en typisk leder flyder elektrisk strøm jævnt overalt. Isolatorer, på den anden side, leder ikke uden videre elektricitet. Normalt monolag WTe₂ er en speciel isolator med en ledende kant; magnetisering af det giver det mere usædvanlige egenskaber.

"Vi stablede monolag WTe₂ med en isolerende ferromagnet af flere atomare lagtykkelse - af Cr₂ Ge₂ Te₆ , eller blot CGT – og fandt ud af, at WTe₂ havde udviklet ferromagnetisme med en ledende kant," sagde Jing Shi, en fremtrædende professor i fysik og astronomi ved UCR, som ledede undersøgelsen. "Kantstrømmen af ​​elektronerne er ensrettet og kan fås til at skifte retning ved brug af en ekstern magnetfelt."

Shi forklarede, at når kun kanten leder elektricitet, er størrelsen af ​​det indre af materialet uden betydning, hvilket gør det muligt for elektroniske enheder, der bruger sådanne materialer, at blive gjort mindre - faktisk næsten lige så lille som den ledende kant. Fordi enheder, der bruger dette materiale, ville bruge mindre strøm og sprede mindre energi, kunne de gøres mere energieffektive. Batterier, der bruger denne teknologi, vil for eksempel holde længere.

Undersøgelsesresultater vises i Nature Communications .

I øjeblikket fungerer teknologien kun ved meget lave temperaturer; CGT er ferromagnetisk ved omkring 60 K (eller -350 F). Målet med fremtidig forskning ville være at få teknologien til at fungere ved højere temperaturer, hvilket giver mulighed for mange nanoelektroniske applikationer såsom ikke-flygtige hukommelseschips, der bruges i computere og mobiltelefoner.

Ifølge Shi består den ledende kant i ideelle kvantespin Hall-isolatorer af to smalle kanaler, der løber ved siden af ​​hinanden, beslægtet med en to-sporet motorvej med biler, der kører i modsatte retninger. Elektroner, der strømmer i den ene kanal, kan ikke krydse over til den anden kanal, sagde Shi, medmindre der indføres urenheder. Den ledende kant i monolag WTe₂ blev først visualiseret i en tidligere undersøgelse af medforfatter Yongtao Cui, en lektor i fysik og astronomi ved UCR og Shis kollega.

"Det er to kanaler pr. kant," sagde Shi. "Hvis du eliminerer én kanal, ender du med en strøm, der kun flyder i én retning, og efterlader dig med det, der kaldes en kvante-anomal Hall-isolator, endnu et specielt kvantemateriale. Sådan en isolator har kun én motorvejsbane, for at bruge motorvejen analogi. Denne isolator transporterer elektroner på en fuldstændig spin-polariseret måde."

På den anden side den magnetiserede WTe₂ som Shi og hans kolleger eksperimenterede med, kaldes en ferromagnetisk kvantespin Hall-isolator, som har en ledende kant med delvist spin-polariserede elektroner.

"I de to kanaler af ferromagnetiske kvantespin Hall-isolatorer har vi et ulige antal elektroner, der strømmer i modsatte retninger, hvilket resulterer i en nettostrøm, som vi kan styre med en ekstern magnet," sagde Shi.

Ifølge Shi, kvantematerialer såsom WTe₂ er fremtiden for nanoelektronik.

"CHIPS-loven vil opmuntre forskere til at komme med nye materialer, hvis egenskaber er overlegne i forhold til nuværende siliciummaterialer," sagde han. + Udforsk yderligere

Ny indsigt i interaktionen mellem topologiske isolatorer