Maailman ohuin puolijohdeliitos kvanttimateriaalin sisällä

Lupaavaa kvanttimateriaalia tutkivat tiedemiehet ovat törmänneet yllätykseen: materiaali muodostaa kiderakenteessaan luonnostaan yhden maailman ohuimmista puolijohdeliitoksista. Liitos on vain 3,3 nanometriä paksu, noin 25 000 kertaa ohuempi kuin paperiarkki.

”Tämä oli suuri yllätys”, sanoi apulaisprofessori Shuolong Yang . ”Emme yrittäneet tehdä tätä liitosta, mutta materiaali teki sellaisen itsestään, ja se on yksi ohuimmista, mitä olemme koskaan nähneet.”

Löytö tarjoaa keinon rakentaa erittäin pienikokoisia elektronisia komponentteja ja antaa myös tietoa siitä, miten elektronit käyttäytyvät kvanttisovelluksiin suunnitelluissa materiaaleissa.

Chicagon yliopiston (UChicago PME) ja Pennsylvanian osavaltionyliopiston tutkijat tutkivat MnBi₆Te₁₀:n elektronisia ominaisuuksia. Kyseessä on topologinen aine ja tutkijat toivovat, että tätä topologista materiaaliluokkaa voitaisiin jonain päivänä käyttää kvanttitietokoneissa tai erittäin tehokkaissa elektronisissa laitteissa.

Mutta toimiakseen kunnolla MnBi₆Te₁₀:n kaltaisten materiaalien elektronien on oltava huolellisesti tasapainotettuja ja jakautuneita. Tutkimusryhmä uskoi saavuttaneensa oikean tasapainon muuttamalla materiaalin kemiallista koostumusta ja lisäämällä MnBi₆Te₁₀:iin antimonia. Sähköiset testit vahvistivat, että materiaali oli kokonaisuudessaan neutraali.

Mutta sitten Yangin tiimi tutki asiaa tarkemmin käyttäen aika- ja kulmaerotteista fotoemissiospektroskopiaa (trARPES), jossa käytetään ultranopeita laserpulsseja elektronien jakautumisen ja niiden energiatasojen muuttumisen tarkkailuun reaaliajassa.

Tutkijat havaitsivat jotain odottamatonta. Kiteen jokaisessa toistuvassa kerroksessa – vain muutaman atomin paksuisessa – elektronit eivät olleet jakautuneet tasaisesti. Sen sijaan ne kasaantuivat joissakin osissa ja toisissa osissa oli vähemmän elektroneja. Tämä loi materiaaliin pieniä sisäänrakennettuja sähkökenttiä.

”Ihanteellisessa kvanttimateriaalissa halutaan todella tasainen varausten jakauma”, sanoo Chicagon yliopiston PME:n jatko-opiskelija Khanh Duy Nguyen. ”Tämän epätasaisen jakauman näkeminen viittaa siihen, ettemme ehkä mahdollista kvanttisovelluksia alun perin suunnitellulla tavalla, mutta se paljastaa toisen todella hyödyllisen ilmiön.”

Nämä pienet alueet toimivat kuin pn-liitokset, joita käytetään diodien toteuttamiseen Mutta toisin kuin keinotekoisesti valmistetut pn-liitokset, nämä muodostuvat luonnostaan osaksi itse kidettä.

Koska uusi, luonnollisesti muodostuva pn-liitos reagoi myös erittäin hyvin valoon, se voisi olla hyödyllinen seuraavan sukupolven elektroniikassa kuten spintroniikassa.

Chicagon yliopiston PME-tiimi hienosäätää tapoja valmistaa materiaalista ohuita kalvoja – suurten, kolmiulotteisten kiteiden sijaan. Tämä voisi antaa heille mahdollisuuden hallita elektronien käyttäytymistä tarkemmin joko kvanttiominaisuuksien parantamiseksi tai pienten pn-liitosten tuoton lisäämiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Kaksiulotteisia heterorakenteita

Kaksiulotteisilla edullisia rajapintaliitoksia

Kolmen atomin paksuinen puolijohdeliitos