211service.com
Fysikere opdager verdens første naturligt forekommende topologiske isolator
Topologiske isolatorer er et af de mere spændende nye materialer i videnskaben. Det her er mærkeligt, fordi det er en leder på overfladen, men en isolator indeni, snarere som en isblok, hvor smeltevand strømmer rundt udenfor, men er fanget som et fast stof i midten.
Men topologiske isolatorer har en anden egenskab. Elektronerne, der flyder over overfladen af en topologisk isolator, er alle justeret på en bestemt måde. Faktisk er deres spin låst i rette vinkler i forhold til deres bevægelsesretning.
Denne spin-momentum-låsning betyder, at elektronerne er immune over for den stød, de ville få inde i en almindelig leder. I stedet kan elektronerne bevæge sig gennem perfekte topologiske isolatorer med 100 procent effektivitet, selv ved stuetemperatur.
Den unikke adfærd har begejstret både fysikere og elektronikingeniører. Det betyder, at topologiske isolatorer kan danne grundlag for en helt ny generation af elektroniske enheder, der koder information ved hjælp af både spin og ladningen af en elektron.
Men der er et problem. Topologiske isolatorer er få og langt imellem. Fysikere forudsagde deres eksistens i faste stoffer i 2005 og syntetiserede det første eksempel i 2008 - en kompleks krystallinsk struktur baseret på bismuthantimonid. Men vanskeligheden ved at lave andre eksempler er et alvorligt problem for den nye teknologi inden for spintronics.
Det ser ud til at ændre sig. I dag har Pascal Gehring ved Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart og et par venner fundet det første eksempel på en naturligt forekommende topologisk isolator i en prøve af kvarts fra en mine i Tjekkiet. Opdagelsen rejser udsigten til, at andre naturligt forekommende materialer også kan være topologiske isolatorer.
Det nye materiale er et gråt, metallisk mineral kaldet Kawazulite, som er lavet af vismut, tellur, selen og svovl. Navnet kommer fra Kawazu-minen i Japan, hvor det først blev opdaget.
I betragtning af kawazulites krystalstruktur har materialeforskere mistænkt, at det kunne fungere som en topologisk isolator. Faktisk har de syntetiseret tingene i laboratoriet og målt dets egenskaber for at finde ud af det.
I alle tilfælde lykkedes det dog ikke at realisere den forudsagte topologiske isolering på grund af defekter i det syntetiserede materiales struktur.
Nu har Gehring og co skabt enkeltkrystallinske plader af mineralet ved at spalte dem fra en naturligt forekommende krystal. Da de målte egenskaberne af dette ark, viste det sig at være en leder på overfladen og en isolator indeni, ligesom forudsagt.
Holdet spekulerer i, at naturligt forekommende kawazulit har færre defekter end sin syntetiske fætter, fordi den er så gammel: eventuelle defekter er faldet ud af strukturen i løbet af de millioner af år, siden den blev dannet.
Spørgsmålet er nu, om det er muligt at lave nok enkeltkrystalplader ud fra naturligt forekommende kawazulit til at gøre det muligt for disse ting at blive sat igennem dets trin af fysikere, der arbejder på den næste generation af spintroniske enheder.
Hvis de kan perfektionere disse enheder, kan elektronikindustrien en dag komme til at stole på naturligt forekommende topologiske isolatorer fra kvartsminer i Japan og videre.
Ref: arxiv.org/abs/1311.6637 : En naturlig topologisk isolator