Quantum spin Hall-isolatoren zijn een klasse van tweedimensionale (2D) topologische toestanden van materie die elektrisch isolerend zijn in hun binnenste, maar, in tegenstelling tot halfgeleiders, een paar eendimensionale (1D) metaaltoestanden dragen, die strikt beperkt zijn tot hun randen .
Bijzonder aan deze ‘edgy’ 1D-elektronen is dat ze wat natuurkundigen helicaal noemen: dat wil zeggen, de spins van geleidingselektronen zijn uitgelijnd en verbonden met de richting waarin elektronen langs de 1D-rand bewegen, vergelijkbaar met een paar spin-gepolariseerde eendimensionale draden. Deze spiraalvormige eigenschappen bieden mogelijke oplossingen voor problemen in elektronica en spintronica, evenals voor kwantumelektronische apparaten.
Net zoals een vel papier zijn twee kanten behoudt, zelfs als het verfrommeld is, zijn de fysieke eigenschappen van de metalen randtoestanden van een kwantumspin Hall-isolator opmerkelijk stabiel tegen verstoringen – ze worden beschermd door topologie.
Deze exotische, topologische toestand van materie, die twintig jaar geleden voor het eerst theoretisch werd voorspeld, werd voor het eerst gerealiseerd in zorgvuldig ontworpen, gelaagde heterostructuren van halfgeleiders.
Meer recentelijk zijn er klassen van atomair dunne kristallen in opkomst, vergelijkbaar met het beroemde grafeen, dat deze elektronische toestand van materie als een intrinsieke eigenschap herbergt.
In hun artikel in Geavanceerde materialen in april 2021 (link onderin) bekijkt het team de recente vorderingen in materiaaltechnologie naast de theoretische beschrijving, waarbij het de bibliotheek van veelbelovende atomair dunne kwantumspin Hall-isolatoren onderzoekt met het oog op klassieke en kwantumelektronische apparaattoepassingen.
Het temperatuurbereik waarover de exotische randtoestanden kunnen worden gebruikt, schaalt bijvoorbeeld met de eigenschappen van deze kristallen, zoals de koppelingssterkte van de spin van het elektron met zijn orbitale momentum.
Hoewel op halfgeleider heterostructuur gebaseerde kwantumspin Hall-isolatoren alleen zijn gekarakteriseerd bij temperaturen van vloeibaar helium (T
Quantum spin Hall-isolatoren zouden kunnen worden gebruikt voor nieuwe soorten elektronica die minder stroom verbruiken, maar hiervoor is een werking op kamertemperatuur nodig om kostbare (en energieverslindende) koeling te voorkomen.
Bij extreme lage temperaturen waar supergeleiding kan worden geïnduceerd, zijn vooral veelbelovende kwantumcomputertoepassingen voorspeld. Bij supergeleiding wordt voorspeld dat de 1D-randtoestanden een exotisch soort quasi-deeltje bevatten dat “Majorana-fermionen” worden genoemd, dat noch fermion noch boson is. Inderdaad, deze anyons fungeren als hun eigen antideeltje en gehoorzamen exotische niet-Abeliaanse quasi-deeltjesstatistieken, waardoor ze opwindende kandidaten zijn als dragers van kwantuminformatie.
Inderdaad, vanwege hun topologische bescherming tegen externe verstoringen, wordt voorspeld dat deze exotische fermionen een mogelijke oplossing bieden voor een veelvoorkomend probleem bij kwantumberekeningen, namelijk het behouden van lange coherentietijden – dat wil zeggen, de tijdschaal waarop kwantuminformatie kan worden opgeslagen en verwerkt.
Majorana-gebaseerde topologische kwantumcomputers worden vaak beschouwd als een van de meest uitdagende fysieke problemen van onze tijd. Het heeft enorme media-aandacht en kritisch onderzoek gekregen, vooral recentelijk, waarbij het belang werd onderstreept van doorlopend onderzoek naar alternatieve materialen en apparaatplatforms waarin topologische kwantumcomputers kunnen worden gerealiseerd.
Het artikel, Atomically Thin Quantum Spin Hall Insulators (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee en Bent Weber) werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen in april 2021.
Michael S. Lodge et al, Atomically Thin Quantum Spin Hall Insulators, Geavanceerde materialen (2021). DOI: 10.1002 / adma.202008029
Geavanceerde materialen
Geleverd door FLEET