Een kwantummateriaal dat meer dan tien jaar alleen in theorie bestond, is nu in een lab in Finland gebouwd. Natuurkundigen van de Universiteit van Jyväskylä en Aalto Universiteit groeiden een atoomdun kristal dat alleen langs de randen elektriciteit geleidt, een gedrag dat uiteindelijk op kamertemperatuur zou kunnen werken.
Twee lagen tin telluride op een speciale ondergrond
Associate professor Kezilbeiek Shawulienu leidde het team dat het materiaal maakte door slechts twee lagen tin telluride (SnTe) op een niobium diselenide (NbSe2) substraat te stapelen. De onderzoekers gebruikten moleculaire bundelepitaxie om de film te laten groeien en onderzochten hem vervolgens met lage-temperatuur rastertunnelmicroscopie. Daarmee konden ze de elektronische structuur van het materiaal atoom voor atoom zien. Ze vonden paren van geleidende randtoestanden, het kenmerk van een topologische kristallijne isolator. Deze toestanden worden beschermd door de symmetrie van het kristalrooster, wat betekent dat elektronen langs de randen reizen zonder te verstrooien.
Spanning als regelaar
De tin telluride film wordt samengedrukt door het onderliggende substraat, wat spanning creëert die de topologische toestand van het materiaal stabiliseert. Het team toonde aan dat het veranderen van de spanning de randtoestanden aanpast, wat onderzoekers een praktische manier geeft om het elektronische gedrag van het materiaal af te stemmen. De randtoestanden verschijnen binnen een grote elektronische bandafstand van meer dan 0,2 elektronvolt. Eerste-principes kwantummechanische berekeningen bevestigden dat de toestanden een topologische oorsprong hebben. De onderzoekers zagen ook dat naburige randtoestanden met elkaar interageren, waardoor hun energieniveaus verschuiven door een mix van elektrostatische krachten en kwantumtunneling.
Een platform voor kamertemperatuur kwantumelektronica
Omdat de bandafstand relatief groot is, wordt verwacht dat de topologische eigenschappen van het materiaal stabiel blijven, zelfs op kamertemperatuur. Dat maakt het een veelbelovend platform voor het verkennen van spanning-instelbare tweedimensionale topologische toestanden. Het werk zou toekomstige vooruitgang in spin-gebaseerde elektronica en nanoscopische apparaten kunnen ondersteunen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
