Треугольные соты – разработан новый квантовый материал

Измеренная электронная плотность (слева) на треугольной решетке индия (справа). На рисунке показано, как электроны (желтым цветом) не сидят на позиции атома, а скорее занимают пустоты между ними (красный и синий). В результате возникает возникающая сотовая связь, формально эквивалентная хорошо известному графену. В то же время этот «скрытый» сотовый мотив наделяет инденен гораздо большей шириной запрещенной зоны, повышая его до более совершенной квантовой спиновой системы Холла. Кредит: ct.qmat

Исследователи из Кластера передового опыта Вюрцбург-Дрезден ct.qmat – Сложность и топология в квантовой материи – придумали и реализовали новый квантовый материал: «Инденен». Инденен, состоящий из одного слоя химического элемента индия, обогащает семейство так называемых топологических изоляторов. Треугольная решетка, лежащая в основе концепции индивидуального дизайна материалов, не только нова в контексте топологических квантовых материалов, но также предлагает важные преимущества для будущих приложений. С момента открытия первого топологического изолятора этому классу материалов приписывается огромный потенциал для развития электроники будущего, выходящей за рамки самых современных технологий. и, возможно, даже для реализации квантовых компьютеров.

Топологические изоляторы–полупроводниковые технологии будущего

Смартфоны, ноутбуки и другие электронные устройства в нашей повседневной жизни сильно выигрывают от постоянно растущей миниатюризации полупроводниковых устройств. Однако за это развитие приходится платить: удержание электронов усиливает их рассеяние – сотовые телефоны нагреваются.

Топологические изоляторы обещают создание более эффективных и устойчивых технологий. В отличие от обычных полупроводников, ток течет по их границам, а рассеяние становится запрещенным по причинам симметрии. Другими словами, все остается круто! В 2007 году Лоренс Моленкамп, физик из Вюрцбургского университета и член Кластера передового опыта, открыла первый топологический квантовый материал, вызвавший всемирный резонанс в научном сообществе.

Инденен–скрытые соты

В поисках новых топологических материалов большая часть теоретических усилий до сих пор была сосредоточена на двумерных атомных слоях в сотовой структуре. Мотивация исходит от графена, «дрозофилы» квантовых спиновых систем Холла, или, проще говоря, от одного слоя знаменитого графита внутри наших классических карандашей старого стиля. Вместо этого исследовательская группа в Вюрцбурге пошла по альтернативному пути: физики-теоретики из Джорджо Санжиованни предложили использовать более простую треугольную атомную решетку.

Эта идея была воплощена в жизнь экспериментальной группой Ральфа Клаессена, представителя отделения ct.qmat в Вюрцбурге. Используя современные методы молекулярного пучка, исследователи удалось нанести единственный слой атомов индия в виде треугольной решетки на кристалл карбида кремния в качестве носителя – в результате получился инденен. Благодаря этой новой комбинации строительных блоков и химических элементов соответствующие электроны не локализуются непосредственно на позициях индия, а предпочитают занимать свободное пространство между ними. С точки зрения электронов, их заряд заполняет «негатив» треугольной решетки индия, которая на самом деле представляет собой сотовую решетку, скрытую в пустотах атомной структуры.

Руководитель проекта Джорджио Сангиованни объясняет это через квантово-механическую природу частиц: «Электроны индия можно описать как волны, которые накапливаются в пустотах треугольной решетки, где на первый взгляд они не ожидаются. Интересно, что возникающая в результате «скрытая» сотовая связь приводит к особенно надежному топологическому изолятору, большему, чем графен ».

Топологические квантовые материалы с отличительными преимуществами

Уникальный дизайн материалов, который привел к синтезу инденена, может улучшить текущий технологический статус в области топологической электроники: в отличие от графена, инденен не нужно охлаждать до сверхнизких температур, чтобы проявить свои свойства как топологического изолятора. . Это является следствием особенно простой треугольной решетки, которая позволяет создавать большие структурные домены, часто являющиеся серьезным узким местом при синтезе других топологических материалов.

«Мы были действительно удивлены, что такая простая атомная структура может отображать топологические свойства. Это важный актив для успешного выращивания идеальных пленок из инденена, которые могут соответствовать строгим стандартам, требуемым для нанопроизводства устройств. Кроме того, использование карбида кремния в качестве поддерживающей подложки позволяет нам подключаться к установленной полупроводниковой технологии », – говорит Ральф Клаессен, комментируя научный результат.

Перспективы

Простая структура инденена представляет собой одновременно проблему: как только единственный слой атомов индия вступает в контакт с воздухом, материал теряет свои особые свойства. По этой причине исследователи в настоящее время разрабатывают закрывающий атомный слой, который может защитить инденен от нежелательного загрязнения во время его синтеза. Решение этих проблем откроет путь к широкомасштабному использованию этих топологических квантовых материалов.