Nieuw kristal beperkt elektronen tot één dimensie voor spintronische toepassingen

Spintronica verwijst naar een reeks fysieke systemen die op een dag veel elektronische systemen kunnen vervangen. Om deze generatiesprong te realiseren, zijn materiaalcomponenten die elektronen in één dimensie opsluiten zeer gewild. Voor het eerst hebben onderzoekers een dergelijk materiaal gemaakt in de vorm van een speciaal op bismut gebaseerd kristal dat bekend staat als een topologische isolator van hoge orde.

Om spintronische apparaten te maken, moeten nieuwe materialen worden ontworpen die profiteren van kwantumgedrag dat in het dagelijks leven niet voorkomt. U bent waarschijnlijk bekend met geleiders en isolatoren, die de stroom van elektronen respectievelijk toelaten en beperken. Halfgeleiders zijn gebruikelijk, maar voor sommigen minder bekend; deze isoleren meestal, maar geleiden onder bepaalde omstandigheden, waardoor ze ideale miniatuurschakelaars zijn.

Voor spintronische toepassingen is een nieuw soort elektronisch materiaal nodig, een topologische isolator. Het verschilt van deze andere drie materialen doordat het de hele massa isoleert, maar alleen langs het oppervlak geleidt. En wat het geleidt, is niet de stroom van elektronen zelf, maar een eigenschap ervan die bekend staat als hun spin of impulsmoment. Deze spinstroom, zoals het bekend is, zou een wereld van ultrasnelle en energiezuinige apparaten kunnen openen.

Niet alle topologische isolatoren zijn echter gelijk: er zijn al twee soorten, zogenaamd sterk en zwak, gemaakt, maar deze hebben enkele nadelen. Omdat ze over hun hele oppervlak draaien, hebben de aanwezige elektronen de neiging zich te verspreiden, wat hun vermogen om een ​​spinstroom over te brengen verzwakt. Maar sinds 2017 is een derde soort topologische isolator, een topologische isolator van hogere orde genaamd, getheoretiseerd. Nu is er voor het eerst een gemaakt door een team van het Institute for Solid State Physics aan de Universiteit van Tokio.

“We hebben een topologische isolator van hogere orde gemaakt met behulp van het element bismut”, zei universitair hoofddocent Takeshi Kondo. “Het heeft het nieuwe vermogen om een ​​spinstroom alleen langs de hoekranden te geleiden, in wezen eendimensionale lijnen. Omdat de spinstroom gebonden is aan één dimensie in plaats van twee, verspreiden de elektronen zich niet, zodat de spinstroom stabiel blijft. . “

Om dit driedimensionale kristal te maken, stapelden Kondo en zijn team tweedimensionale plakjes kristal op een atoom dik op een bepaalde manier. Voor sterke of zwakke topologische isolatoren zijn de kristalplakken in de stapel allemaal op dezelfde manier georiënteerd, zoals speelkaarten met de beeldzijde naar beneden in een stapel. Maar om de topologische isolator van hogere orde te creëren, werd de oriëntatie van de plakjes afgewisseld, de metaforische speelkaarten werden herhaaldelijk naar boven en naar beneden door de stapel heen gelegd. Deze subtiele verandering in rangschikking zorgt voor een enorme verandering in het gedrag van het resulterende driedimensionale kristal.

De kristallagen in de stapel worden bij elkaar gehouden door een kwantummechanische kracht die de van der Waals-kracht wordt genoemd. Dit is een van de zeldzame soorten kwantumverschijnselen die je daadwerkelijk in het dagelijks leven ziet, omdat het gedeeltelijk verantwoordelijk is voor de manier waarop poedervormige materialen samenklonteren en stromen zoals ze doen. In het kristal hecht het de lagen aan elkaar.

“Het was opwindend om te zien dat de topologische eigenschappen verschijnen en verdwijnen, alleen afhankelijk van de manier waarop de tweedimensionale atomaire platen werden gestapeld”, aldus Kondo. “Een dergelijke mate van vrijheid in materiaalontwerp zal nieuwe ideeën opleveren, wat leidt tot toepassingen zoals snelle en efficiënte spintronische apparaten, en dingen die we ons nog moeten voorstellen.”

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen.