כביש אלקטרון בתוך גביש

Anonim

פיזיקאים מאוניברסיטת וירצבורג עשו תגלית מדהימה בסוג מסוים של מבדדים טופולוגיים. האפקט נובע ממבנה החומרים המשמשים. החוקרים פרסמו כעת את עבודתם בכתב העת Science.

בידוד טופולוגי הם כיום נושא חם בפיזיקה על פי העיתון נוי Zürcher Zeitung. רק לפני כמה שבועות, החשיבות שלהם הודגשה שוב כמו האקדמיה המלכותית השבדית למדעים בשטוקהולם זכתה השנה בפרס נובל בפיסיקה לשלושה מדענים בריטים על המחקר שלהם של מה שנקרא מעברים פאזה טופולוגי ושלבי טופולוגי של החומר.

מבודדים טופולוגיים נלמדים גם במחלקות לפיסיקה ניסויית II ופיסיקה תיאורטית 1 של אוניברסיטת וירצבורג. עם זאת, הם מתמקדים בגרסה מיוחדת של מבודדים הנקראים בידוד טופולוגי גבישי (TCI). בשיתוף עם האקדמיה הפולנית למדעים בוורשה ובאוניברסיטת ציריך, הפיזיקאים של וירצבורג השיגו פריצת דרך משמעותית. הם היו מסוגלים לזהות מצבי אלקטרונית חדשים של חומר מבודדים אלה. תוצאות עבודתם מתפרסמות בגיליון האחרון של Science.

שלב קצוות אלקטרונים ישירה

התוצאה המרכזית: כאשר חומרים גבישיים מפוצלים, מרפסות קטנות אטום קטן להגיח על המשטחים לפצל אשר מופרדים זה מזה על ידי קצוות שלב. בתוך מבנים אלה, ערוצי מוליך עבור זרמים חשמליים טופס אשר צר מאוד רק על 10 ננומטר ומפתיע חזק נגד הפרעה חיצונית. אלקטרונים נוסעים על ערוצים מוליכים אלה עם ספין שונה בכיוונים מנוגדים - בדומה לכביש המהיר עם נתיבים נפרדים לשני הכיוונים. השפעה זו הופכת את החומרים למעניינים עבור יישומים טכנולוגיים ברכיבים אלקטרוניים עתידיים, כגון מחשבים אולטרה מהיר ואנרגיה.

"TCI הם פשוטים יחסית לייצר והם כבר שונים מחומרים קונבנציונליים בגלל המבנה הגבישי המיוחד שלהם", מסביר ד"ר פאולו ססי את הרקע של העיתון שפורסם לאחרונה. ססי הוא עמית מחקר במחלקה לפיסיקה ניסויית II וכותב הראשי של המחקר. יתר על כן, חומרים אלה חייבים איכות מיוחדת שלהם המאפיינים האלקטרוניים שלהם: בחומרים טופולוגיים, בכיוון של ספין קובע את הכיוון שבו האלקטרונים לנסוע. במילים פשוטות, "ספין" ניתן לפרש כמו דיפול מגנטי שיכול להצביע על שני כיוונים ("למעלה" ו "למטה"). לפיכך, למעלה ספין אלקטרונים ב TCIs לנוע אלקטרונים אחד ספין למטה בכיוון ההפוך.

זה הכל על מספר השכבות האטומיות

"אבל מדענים לא ידעו כיצד לייצר את ערוצי המוליך הנדרשים לשם כך", אומר פרופ 'מתיאס בוד, ראש המחלקה לניסוי פיסיקלי II ומחבר המחקר. זה היה סיכוי כי עכשיו יש את החוקרים על המסלול הנכון: הם גילו כי ערוצי מוליך צר מאוד להתרחש באופן טבעי כאשר פיצול להוביל פח selenide (PbSnSe), מבודד גבישי.

שלב השוליים על פני השברים גורם לתופעה זו. הם יכולים להיות צילמו באמצעות ברזולוציה גבוהה סריקה במיקרוסקופ מנהור, או ליתר דיוק, את גובה השלב המתאים הקצוות. "קצוות המגשרים על מספר רב של שכבות אטומיות הם לגמרי לא בולטים, אבל אם הקצוות מתפרשים על מספר לא רב של שכבות אטומיות, נוצר שטח קטן של 10 ננומטר ברוחב שיש לו את ערוצי המוליכים האלקטרוניים שאנו מחפשים", Sessi מסביר.

תבנית מתנתקת בקצה

בתמיכתם של עמיתיהם מהמחלקה לפיסיקה תיאורטית א 'ואוניברסיטת ציריך, הצליחו הפיזיקאים הניסוייים לשפוך אור על מקורן של מדינות אלקטרוניות חדשות אלו. כדי להבין את העקרון, נדרשת תחושה מרחבית קטנה:

"המבנה הגבישי גורם לפריסה של האטומים שבהם האלמנטים השונים חלופיים כמו הריבועים השחורים והלבנים על לוח השחמט", מסביר מתיאס בוד. זה דפוס שחור לבן לסירוגין חל על שני ריבועים אשר סמוכים ו ריבועים ממוקמים מתחת זה על גבי זה.

אז אם הסדק של קריסטל זה עובר דרך שכבות אטומיות שונות, יותר מקצה אחד נוצר שם. ממעל ניתן לראות כי ריבועים לבנים עשויים להימשך גם לריבועים לבנים אחרים לאורך קצה זה ולריבועים שחורים למרווחים שחורים אחרים - או אטומים זהים לאטומים זהים. עם זאת, זה עובד רק אם מספר מוזר של שכבות אטומית אחראי על ההבדל בגובה של שני משטחים.

מגובה על ידי חישובים

"חישובים מראים כי קיזוז זה על פני השטח הוא למעשה סיבתית של המצבים האלקטרוניים החדשים", אומר פאולו ססי. יתר על כן, הם מוכיחים כי התופעה של ערוצי מוליך תלוי ספין, אשר אופייני חומרים טופולוגי, מתרחשת גם כאן.

לדברי המדענים, תכונה זו בפרט עושה את הגילוי הרלוונטי עבור יישומים פוטנציאליים, כי ערוצי מוליך כאלה לגרום הפסד הולכה נמוכה מצד אחד, ניתן להשתמש ישירות לשדר ולעבד מידע בתחום הספינטרוניקה מאידך גיסא.

עם זאת, כמה שאלות צריך להיות ענה ואתגרים שיש להתגבר לפני זה יהפוך למציאות. לדוגמה, המדענים עדיין לא בטוחים באיזה מרחקים הזרמים בערוצים מוליכים שהתגלו לאחרונה יכול להיות מועבר. כמו כן, כדי להיות מיושם במעגלים, שיטות היה צריך להיות מפותח המאפשרים יצירת הקצוות שלב של גובה מוגדר לאורך כיוונים מסוימים.

menu
menu