Fizicieni de la Universitatea din Jyväskylä și de la Universitatea Aalto din Finlanda au reușit să creeze un Un material care la interior blochează complet curentul electric, dar pe marginile sale se comportă ca un conductor perfect, permițând electronilor să circule fără să piardă energie. bidimensional, marcând prima realizare experimentală a unui material cuantic pe care oamenii de știință îl prevăzuseră în urmă cu peste un deceniu. Până acum, tentativele de a-l produce fuseseră blocate de dificultățile întâmpinate în dezvoltarea materialelor potrivite. Acest material cuantic bidimensional este conceput să conducă electricitatea exclusiv pe margini, o proprietate esențială pentru electronica cuantică, deoarece previne pierderea de energie sub formă de căldură.
Descoperirea a fost coordonată de profesorul asociat Kezilbeiek Shawulienu, în colaborare cu cercetători de la Universitatea Aalto, printre care profesorii Peter Liljeroth și Jose Lado. Echipa a fabricat materialul crescând un film subțire la nivel atomic, alcătuit din doar două straturi de Un material semiconductor format din staniu și telur. În acest studiu, a fost feliat într-un strat microscopic (de doar doi atomi grosime), devenind „autostrada magică” pe marginile căreia electronii circulă fără nicio rezistență. pe un substrat de Un compus metalic folosit în acest experiment ca „fundație” (substrat). Rolul său esențial este să preseze și să deformeze ușor stratul de telurură de staniu așezat deasupra lui, creând tensiunea necesară pentru a-i „trezi” proprietățile cuantice.
Un cristal de grosime atomică dezvăluie stări cuantice unice
Pentru a examina proprietățile materialului, cercetătorii au recurs la O tehnică de laborator extrem de precisă prin care materialele sunt „crescute” artificial, strat cu strat și atom cu atom, în condiții de vid absolut. cu fascicul molecular, combinată cu microscopia de tunelare cu scanare la temperatură scăzută, ceea ce le-a permis să analizeze comportamentul electronic al acestuia cu precizie la nivel atomic.
Măsurătorile au relevat perechi de stări de margine conductoare, o caracteristică definitorie a izolatorilor cristalini topologici. Aceste căi speciale permit electronilor să se deplaseze de-a lungul marginilor materialului și sunt protejate de simetria rețelei cristaline. Spre deosebire de conductorii clasici din computerele noastre care se supraîncălzesc, aceste căi protejate topologic permit circulația electronilor fără rezistență, deschizând drumul spre dispozitive ultra-rapide și eficiente energetic.
Deformația controlează proprietățile cuantice ale materialului
Stările de margine conductoare apar în interiorul unei benzi interzise electronice largi, de peste 0,2 electroni-volți (eV). Echipa a constatat că pelicula de telurură de staniu este comprimată de substratul de bază, generând o deformație esențială pentru stabilizarea stării topologice a materialului.
Și mai important, cercetătorii au demonstrat că aceste stări de margine pot fi ajustate prin modificarea tensiunii, ceea ce oferă o modalitate practică de a regla comportamentul electronic al materialului pentru tehnologiile viitoare.
Potențial pentru viitoarea electronică cuantică
Calcule de mecanică cuantică bazate pe principiile fundamentale au confirmat că stările de margine observate au o origine topologică. Echipa a examinat, de asemenea, modul în care interacționează stările de margine învecinate și a constatat că nivelurile lor de energie se modifică sub efectul unei combinații de interacțiuni electrostatice și Un fenomen specific fizicii cuantice prin care o particulă (cum ar fi un electron) reușește să treacă printr-o barieră fizică aparent impenetrabilă, asemenea unei fantome care trece prin zid.
De ce sunt esențiale materialele topologice pentru electronica cuantică?
Un izolator topologic funcționează ca un izolator perfect la interior, dar se comportă ca un conductor metalic pe margini. Faptul că această proprietate poate fi controlată acum prin simpla deformare a materialului rezolvă unul dintre cele mai mari blocaje din ingineria materialelor avansate.
Întrucât materialul are o O „barieră” de energie pe care electronii trebuie să o depășească pentru ca materialul să devină conductor. Cu cât această barieră este mai mare, cu atât materialul este mai stabil la temperaturi ridicate. relativ mare, se preconizează că proprietățile sale topologice vor rămâne stabile chiar și la temperatura camerei. Acest lucru îl transformă într-o platformă promițătoare pentru explorarea stărilor topologice bidimensionale reglabile prin deformare și ar putea susține progresele viitoare în domeniul O tehnologie a viitorului care folosește nu doar sarcina electrică a electronilor, ci și proprietatea lor magnetică (spinul), pentru a crea computere mult mai rapide și mai reci. și al dispozitivelor la scară nanometrică.
Această validare independentă confirmă că trecerea de la modele teoretice la componente palpabile pentru electronica cuantică la temperatura camerei este acum, tehnic, posibilă.
Rezultatele studiului au fost publicate în revista Nature Communications.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Un fluture care abia îmbătrânește ar putea ajuta cercetătorii să descifreze secretele longevității
Nucleul interior al Pământului ar putea ascunde o stare ciudată a materiei
Consumatorii de cafea au mai puțină grăsime, mai multă masă musculară și diferențe surprinzătoare la hormonii sexuali
Corpul omenesc are o „a doua inimă”, iar menținerea ei în activitate este esențială
