Fizicieni de la Universitatea din Jyväskylä și de la Universitatea Aalto din Finlanda au reușit să creeze un izolator cristalin topologic 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 telurură de staniu (SnTe), pe un substrat de diselenură de niobiu (NbSe2).
Un cristal de grosime atomică dezvăluie stări cuantice unice
Pentru a examina proprietățile materialului, cercetătorii au recurs la epitaxia 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 tunelare cuantică.
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 bandă interzisă 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 electronicii bazate pe spin 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?
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa
