Elektronikanavia ilman resistanssia

Lawrence Berkeley National Laboratoryn (Berkeley Lab) johtama kansainvälinen tutkimusryhmä on ottanut ensimmäiset atomiresoluutiokuvat ja näin osoittanut kiraalisen rajapinnan tilan sähköisen ohjauksen – eksoottisen kvantti-ilmiön, joka voisi auttaa tutkijoita kehittämään kvanttilaskentaa ja energiatehokasta elektroniikkaa.

Kiraalinen rajapintatila on johtava kanava, joka sallii elektronien kulkea vain yhteen suuntaan, mikä estää niitä siroamasta taaksepäin ja aiheuttamasta energiaa tuhlaavaa sähköistä resistanssia. Tutkijat pyrkivät ymmärtämään paremmin todellisten materiaalien kiraalisten rajapintatilojen ominaisuuksia, mutta niiden tilaominaisuuksien visualisointi on osoittautunut poikkeuksellisen vaikeaksi.

Nyt Berkeley Labin ja UC Berkeleyn tutkimusryhmän ottamat atomiresoluutiokuvat ovat visualisoineet suoraan kiraalisen rajapinnan tilan. Tutkijat osoittivat myös näiden resistanssivapaiden johtavien kanavien ohjatun luomisen 2D-eristeissä.

Kiraalisia rajapintatiloja voi esiintyä tietyntyyppisissä 2D-materiaaleissa, jotka tunnetaan nimellä quantum anomalous Hall (QAH) -eristeet, jotka ovat massaeristeitä, mutta johtavat elektroneja ilman resistanssia yksiulotteisissa "reunoissa" - materiaalin fyysisissä rajoissa ja rajapinnoissa muiden materiaalien kanssa.

Kiraalisia rajapintatiloja tutkittiin moiré-superhilassa, jossa esiintyy QAH- vaikutus.

Kokeet osoittivat, että kiraalista rajapintatilaa voidaan siirtää näytteen poikki moduloimalla jännitettä hilaelektrodilla, joka on sijoitettu grafeenikerrosten alle. Viimeisessä hallinnan esittelyssä tutkijat osoittivat, että STM-anturin kärjestä tuleva jännitepulssi voi "kirjoittaa" näytteeseen kiraalisen rajapinnan tilan, poistaa sen ja jopa kirjoittaa uuden, jossa elektronit virtaavat vastakkaiseen suuntaan.

Löydökset voivat auttaa tutkijoita rakentamaan viritettäviä elektronikanavien verkkoja, jotka lupaavat tulevaisuudessa energiatehokasta mikroelektroniikkaa ja pienen tehonkäytön magneettisia muistirakenteita sekä kvanttilaskentaa, joka hyödyntää QAH-eristeiden elektronien eksoottista käyttäytymistä.

Tutkijat aikovat käyttää tekniikkaansa tutkiakseen eksoottisempaa fysiikkaa vastaavissa materiaaleissa, kuten anyonissa, uudentyyppisissä kvasihiukkasissa, jotka voisivat mahdollistaa reitin kvanttilaskentaan.

”Tuloksemme tarjoavat tietoa, joka ei ollut mahdollista aiemmin. Vielä on pitkä matka kuljettavana, mutta tämä on hyvä ensimmäinen askel”, Zhang sanoo, tutkimuslaitoksensa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Erittäin viritettäviä komposiittimateriaaleja