 |
| Σχηματική αναπαράσταση του ακέραιου κβαντικού φαινομένου Hall, στην επιφάνεια τοπολογικού μονωτή. Το φαινόμενο επιτρέπει την ροή ρεύματος χωρίς θερμικές απώλειες στην επιφάνεια του υλικού. credit: nanowerk |
Ερευνητές από το RIKEN Center του Emergent Matter Science της Ιαπωνίας, αποκάλυψαν τα πρώτα στοιχεία ενός ασυνήθιστου κβαντικού φαινομένου - του ακέραιου κβαντικού φαινομένου Hall - που παρατηρήθηκε σε ένα νέο είδος film που καλείται 3D τοπολογικός μονωτής - 3D topological insulator -. Η ερευνητική ομάδα απέδειξε πως μία ειδική μορφή άμαζων ηλεκτρονίων (σχετικιστικών δηλαδή ηλεκτρονίων υψηλής κινητικής ενέργειας) συγκροτούν τις "επιφανειακές καταστάσεις Dirac" - surface Dirac states - , οι οποίες είναι κβαντισμένες στα υλικά αυτά, παίρνουν δηλαδή μόνο συγκεκριμένες διακριτές τιμές. Η εν λόγω ανακάλυψη, θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανάπτυξη ηλεκτρονικών που θα λειτουργούν χωρίς την παραγωγή υψηλών επιπέδων θερμότητας που συμβαίνει στις σύγχρονες συσκευές που βασίζονται σε ημιαγωγούς πυριτίου.
Τι είναι όμως οι τοπολογικοί μονωτές;
Ως τοπολογικοί μονωτές ορίζονται ασυνήθιστου τύπου υλικά, που δεν άγουν ηλεκτρισμό στο εσωτερικό αλλά μόνο στις επιφάνειές τους. Σε αυτές συγκεντρώνονται σχετικιστικά ηλεκτρόνια και ηλεκτρονικές οπές - γνωστά και ως φερμιόνια Dirac - που μπορούν να άγουν ηλεκτρισμό σχεδόν χωρίς θερμικές απώλειες κατά παρόμοιο τρόπο με έναν υπεραγωγό. Σαν αποτέλεσμα οι ιδιότητές τους μελετώνται έντονα από την επιστημονική κοινότητα, με την ελπίδα της δημιουργίας ηλεκτρονικών συσκευών χαμηλής κατανάλωσης. Παρόλα αυτά, οι προσμίξεις που συναντώνται στις κρυσταλλικές δομές των τοπολογικών μονωτών, αποτελούν βασικό εμπόδιο στην κατανόηση των δυνατοτήτων τους.
Το πείραμα:
Στην πρόσφατη έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Communications, η επιστημονική ομάδα ξεπέρασε τους περιορισμούς αυτούς μέσω επιμελημένης επεξεργασίας του υλικού. Κατασκευάζοντας τον τοπολογικό μονωτή από Βισμούθιο, Αντιμόνιο και Τελλούριο, οι ερευνητές εξάλειψαν πλήρως τις προσμίξεις που μάστιζαν τις προηγούμενες προσπάθειες. Με σύνδεση του υλικού σε υπόστρωμα του ημιαγωγού Φωσφορούχου Ινδίου και τοποθέτηση μονωτικού φιλμ οξειδίου και ηλεκτροδίων στη κορυφή της κατασκευής, μετέτρεψαν τα φιλμ σε συσκευές ηλεκτρικής περίφραξης, γνωστές ως "field effect transistors". Εν συνεχεία μέτρησαν την αντίσταση Hall, ρυθμίζοντας την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και υπό την επήρεια σταθερού μαγνητικού πεδίου. Με τη διαδικασία αυτή απέδειξαν πως η αντίσταση γίνεται σταθερή κατά τμήματα δημιουργώντας διαδοχικά πλατό, αποδεικνύοντας έτσι την παρουσία του κβαντικού φαινομένου Hall στο υποκείμενο υλικό. Επιπροσθέτως, ρυθμίζοντας την εξωτερική τάση των φιλμ, κατέδειξαν την δυνατότητα μετάβασης από την ακέραια κβαντική κατάσταση Hall στην κατάσταση μόνωσης, με την αλλαγή του διαρρέοντος ηλεκτρικού ρεύματος.
 |
| Διατομή και κάτοψη του Hall bar device που χρησιμοποιήθηκε για τον τοπολογικό μονωτή. Η διακεκομμένη γραμμή στο κάτω πλαίσιο, αποτελεί δείκτη της θέσης του φιλμ που φαίνεται στο πάνω πλαίσιο. credit: nanowerk |
Ο επικεφαλής της έρευνας Ryutaro Yoshimi, του Stron Correlation Physics Research Group, δήλωσε πως η θέα του εξωτικού αυτού φαινομένου σε ένα τρισδιάστατο τοπολογικό μονωτή ήταν ιδιαίτερα συναρπαστική, καθώς και ότι η ερευνητική ομάδα θα συνεχίσει την έρευνα ώστε να αναδειχθούν οι δυνατότητες υλικών που έχουν υποστεί λεπτές ρυθμίσεις, να αποκτούν ποικίλες ηλεκτρικές ιδιότητες. Εξέφρασε επίσης την ελπίδα του πως στο μέλλον τα αποτελέσματα των ερευνών τους, θα συντελέσουν στην ανάπτυξη ηλεκτρονικών στοιχείων υψηλής ταχύτητας και χαμηλής κατανάλωσης.
Πηγή : RIKEN
