Onderzoekers onthullen de realiteit van verliesloos energietransport in topologische isolatoren

Topologische isolatoren wekken de opwindende hoop op het realiseren van verliesloos energietransport, wat waar is bij ultralage temperaturen. Topologische isolatoren slagen er echter niet in deze verliesloze ‘magie’ bij kamertemperatuur te behouden.

Onderzoekers van Monash University, onderdeel van het FLEET Center, hebben nieuwe inzichten verkregen in de efficiëntie van topologische isolatoren. Ze hebben daarbij het grote verschil blootgelegd tussen hun magische verliesloze energietransport bij extreem lage temperaturen en de schadelijke effecten die zich voordoen bij kamertemperatuur.

De studiedat werd gepubliceerd in Nanoschaalonderzoekt waarom topologische isolatoren te maken krijgen met grote uitdagingen bij het behouden van hun eigenschappen in een praktische werkomgeving, met name vanwege de rol van elektron-fononinteracties.

Topologische isolatoren, met name tweedimensionale (2D) topologische isolatoren, staan ​​bekend om hun unieke eigenschap dat ze elektriciteit door de grens/rand heen geleiden, terwijl het oppervlak elektrisch isolerend blijft.

Deze unieke eigenschap maakt eenrichtingstransport van ladingdragers mogelijk zonder terugverstrooiing, met als gevolg een verwaarloosbare elektrische weerstand als gevolg van verstrooiing, waardoor de verwachting van een ladingdragertransport zonder dissipatie ontstaat.

Bij extreem lage temperaturen vertonen deze topologische isolatoren vaak dissipatieloos dragertransport, wat overeenkomt met de verwachting. Het in stand houden van deze eigenschap staat echter voor een serieuze uitdaging wanneer de temperaturen stijgen tot kamertemperatuur, waar fononen (quanta van roostervibraties) in het spel komen met dragers.

De rol van elektron-fononinteracties

Deze studie levert een grondige analyse op van de interactie tussen drager en fonon, en van energietransport in de 2D topologische isolator bij verschillende temperaturen.

De wisselwerking tussen elektron en fonon (dat wil zeggen elektron-fononinteracties) speelt een cruciale rol bij de waargenomen aanzienlijke toename van de elektrische weerstand.

Uit theoretische modellen bleek dat elektron-fononverstrooiing een belangrijke bron van terugverstrooiing is in de topologische randtoestanden, waarbij de sterkte van de interacties sterk gecorreleerd was met de spreiding van de elektronische randtoestanden.

De interacties nemen aanzienlijk toe met de temperatuur en zijn veel sterker bij de niet-lineair verspreide randtoestanden van oorspronkelijke randen vergeleken met de lineair verspreide randtoestanden van gepassiveerde randen, wat een aanzienlijke energiedissipatie veroorzaakt in het temperatuurbereik van 200–400 K.

Deze studie belicht daarom het verschil tussen de prestaties bij extreem lage temperaturen en bij praktische operatiekamertemperaturen.

“Omdat we in deze studie zowel lineaire als niet-lineaire randdispersies hebben meegenomen, kunnen onze resultaten worden toegepast op een breed scala aan topologische isolatoren”, aldus Enamul Haque, hoofdauteur van de studie.

Verbeterd fundamenteel begrip van de rol van elektron-fononverstrooiing aan de randen van 2D topologische isolatoren wordt als essentieel beschouwd voor de vooruitgang van de technologie van 2D topologische isolator-gebaseerde toekomstige elektronica. Eerder werk heeft zich echter grotendeels gericht op oppervlaktetoestanden van 3D topologische isolatoren en isolerende oppervlakken van 2D topologische isolatoren.

“Onze bevindingen kunnen een cruciale rol spelen bij het verbeteren van de toepassingen van topologische isolatoren in praktische elektronische apparaten”, aldus Haque.

Het inzicht uit deze studie kan de zoektocht naar nieuwe kwantummaterialen of hoe de bestaande beperkingen te overwinnen, begeleiden. Door deze problemen bij kamertemperatuur te overwinnen, kunnen wetenschappers vooruitgang boeken in het realiseren van de volledige potentiële toepassingen van topologische isolatoren in praktische technologieën, bijvoorbeeld kwantumtransistoren en kwantumapparaten.

“Een duidelijk begrip van elektron-fononinteracties in de topologische randtoestanden kan helpen bij het ontwikkelen van sterke kwantumdecoherentie in qubits, wat potentieel de stabiliteit en schaalbaarheid van quantumcomputers zou kunnen verbeteren”, aldus professor Nikhil Medhekar, hoofdonderzoeker en hoofdonderzoeker van FLEET.