Nauja dvimatė kvantinė medžiaga įrodo, kad mechaninis įtempimas gali aktyvuoti unikalias elektronines savybes, atverdamas duris į ateities elektroniką.
Tarptautinė mokslininkų komanda pasiekė atrodžiusią nepasiekiamą viršūnę: pagamino dvimatę kvantinę medžiagą, kurios egzistavimas buvo numatytas tik teoriškai. Tai yra kristalinis topologinis izoliatorius, turintis plonos atomų sluoksnio formą, pagamintas iš stibio telurido (SnTe) ir galintis laidyti elektrą tik savo kraštais. Unikali šios medžiagos savybė yra ta, kad jos vidus išlieka izoliuojantis, o kraštai elgiasi kaip laidžios vielos – tai savybė, turinti didžiulį potencialą ateities taikymams aukšto efektyvumo elektronikoje, kvantinėje kompiuterijoje ir spintronikoje.
Šis atradimas užbaigia daugiau nei dešimt metų trukusius nesėkmingus bandymus rasti praktinį būdą gaminti šios rūšies dvimatės sistemos, žinomos kaip TCI (topologiniai kristaliniai izoliatoriai). Tyrimą, paskelbtą žurnale „Nature Communications“, atliko Suomijos Jyväskylä universiteto ir Aalto universiteto mokslininkai. Naudodami molekulinio augimo technologijas ir žemos temperatūros tunelinę mikroskopiją, mokslininkai įrodė, kad šias kvantines būsenas galima stabilizuoti realiomis ir kontroliuojamomis sąlygomis.
Kas yra topologinis kristalinis izoliatorius ir kodėl jis svarbus? ;
Topologinis kristalinis izoliatorius (TCI) yra medžiaga, kuri, nors viduje yra elektriškai izoliuojanti, leidžia elektronams tekėti jos kraštuose ar paviršiuose. Šis reiškinys nevyksta atsitiktinai, bet yra apsaugotas tam tikromis kristalo simetrijomis, pvz., atspindžio simetrija arba veidrodžio simetrija. Skirtingai nuo kitų topologinių medžiagų, kurioms reikalingos ekstremalios sąlygos arba kurios priklauso nuo elektronų sukinio, TCI stabilizuojami pačios medžiagos kristalinės struktūros.
Raktas yra savybė, vadinama Chern skaičiumi su veidrodine simetrija. Kai šis skaičius yra kitoks nei nulis, kristalo kraštuose atsiranda laidžios būsenos, atsparios netobulumams ar priemaišoms. SnTe atveju mokslininkai nustatė, kad šis skaičius suspaudimo sąlygomis pasiekia ±2 vertę, o tai garantuoja dviejų elektroninių būsenų porų, kurios be nuostolių plinta kraštais, egzistavimą.
Šis elgesys yra įdomus ne tik iš fundamentalios perspektyvos. Jis taip pat vertingas ateities technologijoms: elektronai, cirkuliuojantys šiais kanalais, nesisklaido ir nesukuria šilumos, o tai galėtų padėti sukurti efektyvesnius elektroninius įrenginius, kurie vartotų mažiau energijos ir veiktų greičiau.
Eksperimentas: kaip buvo pagamintas 2D kristalas
Didžiausias iššūkis gaminant dvimatį TCI buvo rasti gamybos metodą, kuris išlaikytų reikiamą simetriją ir kontroliuotų medžiagos storį atominiu lygiu. Šiuo atveju mokslininkai išaugino dviejų sluoksnių SnTe plėvelę ant niobio diselenido (NbSe₂) pagrindo, naudodami techniką, žinomą kaip molekulinės pluošto epitaksija.
Dėka šio proceso, jiems pavyko suspausti viršutinius SnTe sluoksnius pagrindu, sukuriant dviašį įtempimą, kuris sukelia topologinį elgesį. Gautas plėvelė parodė moiré raštą ir būdingas deformacijas, kurios patvirtino būtinos įtampos buvimą. Be to, eksperimentiniai duomenys, gauti tuneliavimo spektroskopijos būdu, aiškiai parodė dviejų smailių egzistavimą medžiagos kraštuose, o tai yra ženklas, kad topologinės būsenos buvo aktyvios.
Pasak tyrimo autorių, „matome, kad SnTe plėvelė patiria suspaudimo įtampą ir rodo dvi poras periodiškai moduliuojamų laidžių kraštų būsenų plačiame energijos tarpe, viršijančiame 0,2 eV“.
Įtampos vaidmuo ir kaip ji keičia medžiagą
Vienas iš tyrimo raktų yra mechaninės įtampos naudojimas medžiagos topologinėms savybėms aktyvuoti. SnTe natūralioje formoje nėra dvimatis TCI. Tačiau, kai iš apačios esantis substratas sukelia suspaudimą, sistemos elektroninė struktūra pasikeičia. Šis pokytis žinomas kaip įtampos sukeltas topologinis fazinis perėjimas.
Teorinė analizė, pagrįsta pirminių principų skaičiavimais, parodė, kad suspaudus sistema pasikeitė iš trivialaus feroelektrinio būvio į netrivialų topologinį būvį. Tai įrodo tai, kad medžiagos energijos tarpas užsidaro, o tada vėl atsiveria su visiškai kitomis savybėmis, o tai yra aiškus fazės perėjimo požymis. Šis reiškinys vadinamas Lifšico perėjimu ir leidžia mums vizualizuoti, kaip medžiaga keičia savo kvantinę prigimtį priklausomai nuo išorinių sąlygų.
„Suspaudimo įtampa sukelia mūsų veiksmingos trijų atomų sluoksnių sistemos perėjimą iš trivialaus feroelektrinio būvio į kristalinę topologinę fazę“, – aiškina mokslininkai.
Eksperimentiniai būsenų kraštuose bandymai
Norėdami patvirtinti, kad sukurta medžiaga iš tiesų yra TCI, mokslininkai atliko keletą eksperimentų. Tiesiogiausias bandymas buvo būsenos tankio spektro smailių, esančių medžiagos kraštuose, stebėjimas. Šios smailės rodo numatytų laidžių kanalų buvimą.
Erdvinės laidumo žemėlapiai parodė, kad šios būsenos yra apribotos SnTe salelių kraštais, o jų periodiškumas sutampa su deformacijos modeliu. Be to, buvo nustatyta, kad šios būsenos yra tvirtos: net jei kraštuose atsiranda atominių defektų, būsenos išlieka, nors gali atsirasti nedidelis tarpas, jei atspindžio simetrija yra sutrikdyta.
Toks elgesys rodo, kad būsenos yra apsaugotos pagrindine sistemos simetrija. Iš tiesų, kai mokslininkai sutrikdė šią simetriją, pavyzdžiui, įvedę nereguliarumus kraštuose, kraštinės būsenos nustojo būti visiškai laidžios, taip patvirtindamos savo topologinę prigimtį.
Gretimų kraštinių būsenų sąveika
Vienas iš įdomiausių tyrimo rezultatų buvo tai, kas atsitiko, kai dvi plonos SnTe salos priartėjo viena prie kitos. Abiejų salų kraštų būsenos pradėjo sąveikauti, sukeldamos jų energijos lygių poslinkį. Šis susiejimas nėra susijęs su įtampa, nes ji buvo atidžiai kontroliuojama, bet su kvantiniais efektais, tokiais kaip elektronų tuneliavimas ir elektrostatinė sąveika.
Mokslininkai sukūrė teorinį modelį, kuris apibūdina, kaip krašto būsenų energija eksponentiškai mažėja kartu su atstumu tarp jų. Šis pastebėjimas yra svarbus, nes atveria galimybes tiksliai kontroliuoti šias būsenas, o tai yra būtina, jei šios rūšies medžiagos bus naudojamos realiuose įrenginiuose.
Remiantis tyrimu, „gretimų kraštų sąveika sukelia energijos pokytį, kurį lemia elektrostatinės sąveikos ir tuneliavimo sąveikos derinys“.
Kokios galimos šios medžiagos taikymo sritys?
Nors šis atradimas dar yra eksperimentinėje fazėje, jo reikšmė yra didžiulė. Tai, kad medžiaga veikia sąlygomis, artimomis kambario temperatūrai, ir kad jos savybes galima kontroliuoti įtampa, daro ją perspektyvia kandidate naujos kartos technologijoms.
Galimos taikymo sritys:
- Energiją taupantys elektroniniai prietaisai, kuriuose be nuostolių laidumas sumažintų šilumą ir suvartojimą.
- Spintronika pagrįsti kvantiniai skaičiavimai, pasinaudojant šių kanalų patvarumu kvantinei informacijai perduoti.
- Medžiagos elektros ar magnetiniams laukams aptikti, dėl jų kraštinių būsenų jautrumo išoriniams trikdžiams.
Be to, šis darbas nustato naują požiūrį: mechaninio įtempimo naudojimas kaip priemonė topologinėms fazėms dvimatėse medžiagose aktyvuoti, strategija, kuri galėtų būti išplėsta kitoms sistemoms ir atverti daugybę galimybių naujų funkcinių medžiagų projektavimui.
