Onderzoekers bedenken afstembare geleidende rand

In hun experimenten stapelden de onderzoekers monolaag WTe₂ met Cr₂Ge₂Te₆, of CGT. Krediet: Shi-lab / UC Riverside

Een onderzoeksteam onder leiding van een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Riverside, heeft een nieuwe gemagnetiseerde toestand aangetoond in een monolaag van wolfraam ditelluride, of WTe₂, een nieuw kwantummateriaal. Dit materiaal met een dikte van één atoom wordt een gemagnetiseerde of ferromagnetische kwantumspin Hall-isolator genoemd en heeft een isolerend interieur maar een geleidende rand, wat belangrijke implicaties heeft voor het regelen van de elektronenstroom in nanodevices.

In een typische geleider stroomt de elektrische stroom overal gelijkmatig. Isolatoren daarentegen geleiden niet gemakkelijk elektriciteit. Gewoonlijk monolaag WTe₂ is een speciale isolator met een geleidende rand; door het te magnetiseren krijgt het meer ongebruikelijke eigenschappen.

“We stapelden monolaag WTe₂ met een isolerende ferromagneet van verschillende atomaire laagdiktes van Cr₂Ge₂Te₆of gewoon CGT – en ontdekte dat de WTe₂ ferromagnetisme met een geleidende rand heeft ontwikkeld”, zegt Jing Shi, een vooraanstaande professor in natuurkunde en sterrenkunde aan de UCR, die het onderzoek leidde. “De randstroom van de elektronen is unidirectioneel en kan van richting worden veranderd met behulp van een magnetisch veld.”

Shi legde uit dat wanneer alleen de rand elektriciteit geleidt, de grootte van het inwendige van het materiaal niet van belang is, waardoor elektronische apparaten die dergelijke materialen gebruiken kleiner kunnen worden gemaakt – zelfs bijna net zo klein als de geleidende rand. Omdat apparaten die dit materiaal gebruiken minder stroom verbruiken en minder energie verbruiken, zouden ze energiezuiniger kunnen worden gemaakt. Batterijen die deze technologie gebruiken, zouden bijvoorbeeld langer meegaan.

Studieresultaten verschijnen in Natuurcommunicatie.

Momenteel werkt de technologie alleen bij zeer lage temperaturen; CGT is ferromagnetisch bij ongeveer 60 K (of -350 F). Het doel van toekomstig onderzoek zou zijn om de technologie bij hogere temperaturen te laten werken, waardoor veel nano-elektronische toepassingen mogelijk worden, zoals niet-vluchtige geheugenchips die worden gebruikt in computers en mobiele telefoons.

De heldere zigzaglijnen geven geleidingskenmerken precies aan de randen van de monolaag WTe . aan₂. Krediet: Cui Lab/UC Riverside

Volgens Shi bestaat de geleidende rand in ideale quantum-spin Hall-isolatoren uit twee smalle kanalen die naast elkaar lopen, vergelijkbaar met een tweebaans snelweg met auto’s die in tegengestelde richting rijden. Elektronen die in het ene kanaal stromen, kunnen niet oversteken naar het andere kanaal, zei Shi, tenzij er onzuiverheden worden geïntroduceerd. De geleidende rand in monolaag WTe₂ werd voor het eerst gevisualiseerd in een eerdere studie door co-auteur Yongtao Cui, een universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie bij UCR en Shi’s collega.

“Het zijn twee kanalen per rand,” zei Shi. “Als je één kanaal elimineert, krijg je een stroom die maar in één richting stroomt, waardoor je een kwantum-abnormale Hall-isolator overhoudt, nog een ander speciaal kwantummateriaal. Zo’n isolator heeft maar één snelwegbaan, om de snelweg te gebruiken analogie. Deze isolator transporteert elektronen op een volledig spin-gepolariseerde manier.”

Aan de andere kant, de gemagnetiseerde WTe₂ waarmee Shi en zijn collega’s experimenteerden, wordt een ferromagnetische kwantumspin Hall-isolator genoemd, die een geleidende rand heeft met gedeeltelijk spin-gepolariseerde elektronen.

“In de twee kanalen van ferromagnetische kwantumspin Hall-isolatoren hebben we een ongelijk aantal elektronen die in tegengestelde richtingen stromen, wat resulteert in een netto stroom, die we kunnen regelen met een externe magneet,” zei Shi.

Volgens Shi kunnen kwantummaterialen zoals WTe₂ zijn de toekomst van nano-elektronica.

“De CHIPS-wet zal onderzoekers aanmoedigen om met nieuwe materialen te komen waarvan de eigenschappen superieur zijn aan die van de huidige siliciummaterialen,” zei hij.