211service.com
Natuurkundigen ontdekken 's werelds eerste natuurlijk voorkomende topologische isolator
Topologische isolatoren zijn een van de meest opwindende nieuwe materialen in de wetenschap. Dit spul is vreemd omdat het aan de oppervlakte een geleider is, maar van binnen een isolator, eerder als een blok ijs waarin smeltend water langs de buitenkant stroomt, maar als een vaste stof in het midden opgesloten zit.
Maar topologische isolatoren hebben nog een andere eigenschap. De elektronen die over het oppervlak van een topologische isolator stromen, zijn allemaal op een specifieke manier uitgelijnd. In feite zijn hun spins haaks op hun bewegingsrichting vergrendeld.
Deze spin-impulsvergrendeling betekent dat de elektronen immuun zijn voor de schokken die ze in een gewone geleider zouden krijgen. In plaats daarvan kunnen de elektronen door perfecte topologische isolatoren bewegen met 100 procent efficiëntie, zelfs bij kamertemperatuur.
Dat unieke gedrag heeft zowel natuurkundigen als elektronica-ingenieurs enthousiast gemaakt. Het betekent dat topologische isolatoren de basis zouden kunnen vormen van een geheel nieuwe generatie elektronische apparaten die informatie coderen met behulp van zowel de spin als de lading van een elektron.
Maar er is een probleem. Topologische isolatoren zijn schaars. Natuurkundigen voorspelden hun bestaan in vaste stoffen in 2005 en synthetiseerden het eerste voorbeeld in 2008 - een complexe kristalstructuur op basis van bismutantimonide. Maar de moeilijkheid om andere voorbeelden te maken is een serieus probleem voor de opkomende technologie van spintronica.
Dat lijkt te veranderen. Vandaag hebben Pascal Gehring van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Stuttgart en een paar vrienden het eerste voorbeeld gevonden van een natuurlijk voorkomende topologische isolator in een kwartsmonster uit een mijn in de Tsjechische Republiek. De ontdekking wekt het vooruitzicht dat andere natuurlijk voorkomende materialen ook topologische isolatoren kunnen zijn.
Het nieuwe materiaal is een grijs, metaalachtig mineraal genaamd Kawazuliet dat is gemaakt van bismut, tellurium, selenium en zwavel. De naam komt van de Kawazu-mijn in Japan, waar het voor het eerst werd ontdekt.
Gezien de kristalstructuur van kawazuliet, vermoeden materiaalwetenschappers dat het zou kunnen werken als een topologische isolator. Ze hebben het spul inderdaad in het laboratorium gesynthetiseerd en de eigenschappen ervan gemeten om erachter te komen.
In alle gevallen kwam de voorspelde topologische isolatie echter niet uit vanwege defecten in de structuur van het gesynthetiseerde materiaal.
Nu hebben Gehring en co enkele kristallijne platen van het mineraal gecreëerd door ze te splitsen van een natuurlijk voorkomend kristal. Toen ze de eigenschappen van deze plaat maten, bleek het een geleider aan de oppervlakte en een isolator aan de binnenkant te zijn, precies zoals voorspeld.
Het team speculeert dat natuurlijk voorkomende kawazuliet minder defecten heeft dan zijn synthetische neef omdat het zo oud is: alle defecten zijn in de miljoenen jaren sinds het ontstaan uit de structuur verdwenen.
De vraag is nu of het mogelijk is om voldoende monokristallijne platen te maken van natuurlijk voorkomend kawazuliet om dit spul op de proef te stellen door natuurkundigen die werken aan de volgende generatie spintronische apparaten.
Als ze deze apparaten kunnen perfectioneren, kan de elektronica-industrie ooit gaan vertrouwen op natuurlijk voorkomende topologische isolatoren uit kwartsmijnen in Japan en daarbuiten.
Referentie: arxiv.org/abs/1311.6637 : Een natuurlijke topologische isolator