Starptautiska pētnieku komanda ir sasniegusi mērķi, kas šķita nesasniedzams: izgatavot divdimensionālu kvantu materiālu, kura eksistence bija paredzēta tikai teorētiski. Tas ir kristālisks topoloģisks izolators plānas atomārās slāņa formā, kas izgatavots no telūra un spēj vadīt elektrību tikai pa savām malām. Šāda veida materiālu īpatnība ir tā, ka to iekšējā daļa paliek izolēta, bet malas darbojas kā vadoši vadi, kas ir īpašība ar milzīgu potenciālu turpmākai izmantošanai augstas efektivitātes elektronikā, kvantu skaitļošanā un spintronikā. Šis atklājums liek punktu vairāk nekā desmit gadu ilgajiem neveiksmīgajiem mēģinājumiem atrast praktisku veidu, kā ražot šāda veida divdimensionālas sistēmas, kas pazīstamas kā TCI (topoloģiskie kristāliski izolatori). Pētījumu, kas publicēts žurnālā Nature Communications, vadīja pētnieki no Jyväskylä Universitātes un Aalto Universitātes Somijā. Izmantojot molekulārās augšanas metodes un zemas temperatūras tunelēšanas mikroskopiju, komanda ir pierādījusi, ka ir iespējams stabilizēt šos kvantu stāvokļus reālos un kontrolējamos apstākļos.
Kas ir topoloģisks kristālisks izolators un kāpēc tas ir svarīgi?
Topoloģisks kristālisks izolators (TCI) ir materiāls, kas, lai gan iekšpusē ir elektriski izolējošs, tomēr ļauj elektroniem plūst pa tā malām vai virsmām. Šis fenomens nenotiek patvaļīgi, bet ir aizsargāts ar noteiktām kristāla simetrijām, piemēram, atspoguļojuma simetriju vai spoguļsimetriju. Atšķirībā no citiem topoloģiskiem materiāliem, kam nepieciešami ekstremāli apstākļi vai kas ir atkarīgi no elektronu spina, TCI stabilizējas pateicoties paša materiāla kristāliskajai struktūrai.
Atslēga ir īpašība, ko sauc par Černa skaitli ar spoguļsimetriju. Kad šis skaitlis ir atšķirīgs no nulles, kristāla malās parādās vadītspējas stāvokļi, kas ir izturīgi pret nepilnībām vai piemaisījumiem. SnTe gadījumā pētnieki identificēja, ka šis skaitlis sasniedz ±2 vērtību saspiežot, kas garantē divu elektronisko stāvokļu pāru pastāvēšanu, kas izplatās bez zudumiem gar malām.
Šī īpašība ir ne tikai fascinējoša no fundamentālā viedokļa. Tā ir vērtīga arī nākotnes tehnoloģijām: elektroni, kas cirkulē pa šiem kanāliem, netiek izkliedēti un nerada siltumu, kas varētu novest pie efektīvāku elektronisko ierīču izstrādes ar mazāku enerģijas patēriņu un lielāku ātrumu.
Eksperiments: kā tika izgatavots 2D kristāls
Lielākais izaicinājums, lai izgatavotu divdimensionālu TCI, bija atrast ražošanas metodi, kas saglabātu nepieciešamo simetriju un kontrolētu materiāla biezumu atomārajā līmenī. Šajā gadījumā pētnieki izaudzēja divu slāņu SnTe plēvi uz niobija diselenīda (NbSe₂) substrāta, izmantojot tehniku, kas pazīstama kā molekulāro staru epitaksija.
Pateicoties šim procesam, viņi panāca, ka SnTe virsējie slāņi tika saspiesti ar substrātu, radot divu asi spriegumu, kas izraisa topoloģisko uzvedību. Rezultātā iegūtais plēves slānis uzrādīja moiré rakstu un raksturīgas deformācijas, kas apstiprināja nepieciešamā sprieguma klātbūtni. Turklāt eksperimentālie dati, kas iegūti, izmantojot tunelēšanas spektroskopiju, skaidri parādīja divu pīķu esamību stāvokļu blīvumā materiāla malās, kas liecināja par topoloģisko stāvokļu aktivitāti.
Kā skaidro pētījuma autori, “mēs novērojām, ka SnTe plēve piedzīvo saspiešanas spriedzi un parāda divus pārus periodiski modulētu vadītspējas stāvokļu plašā enerģijas spraugā, kas pārsniedz 0,2 eV”.
Spriedzes loma un kā tā maina materiālu
Viens no pētījuma galvenajiem aspektiem ir mehāniskās spriedzes izmantošana, lai aktivizētu materiāla topoloģiskās īpašības. SnTe savā dabiskajā formā nav divdimensionāls TCI. Tomēr, piemērojot spiedienu no apakšējā substrāta, sistēmas elektroniskā struktūra mainās. Šī izmaiņa ir pazīstama kā spriedzes izraisīta topoloģiskā fāzes pāreja.
Teorētiskā analīze, balstoties uz pirmā principa aprēķiniem, parādīja, ka saspiežot sistēma pāriet no triviāla ferroelektrisko stāvokļa uz netrivialu topoloģisko stāvokli. Pierādījums tam ir tas, ka materiāla enerģijas plaisa aizveras un pēc tam atkal atveras ar pilnīgi atšķirīgām īpašībām, kas ir skaidrs fāzes pārejas pazīme. Šo parādību sauc par Lifšica pāreju, un tā ļauj vizualizēt, kā materiāls maina savu kvantu dabu atkarībā no ārējiem apstākļiem.
“Spiediena spriegums liek mūsu efektīvajai trīs atomāro slāņu sistēmai pāriet no triviāla ferroelektrisko stāvokļa uz kristālisku topoloģisko fāzi”, skaidro pētnieki.
Eksperimentāli pārbaudījumi stāvokļiem malās
Lai apstiprinātu, ka izveidotais materiāls patiešām ir TCI, zinātnieki veica vairākus eksperimentus. Visdirektīvākais pārbaudījums bija novērotie pīķi stāvokļu blīvuma spektrā, kas atradās materiāla malās. Šie pīķi norāda uz gaidīto vadītspējas kanālu klātbūtni.
Telpiskās vadītspējas kartes parādīja, ka šie stāvokļi ir ierobežoti ar SnTe salu malām, ar periodiskumu, kas sakrīt ar sprieguma modeli. Turklāt tika pārbaudīts, ka šie stāvokļi ir stabili: pat ja malā parādās atomāri defekti, stāvokļi saglabājas, lai gan var atvērties neliels atstarpes, ja tiek pārkāpta atspoguļojuma simetrija.
Šāda uzvedība liecina, ka stāvokļi ir aizsargāti ar sistēmas fundamentālo simetriju. Faktiski, kad pētnieki pārtrauca šo simetriju, piemēram, ieviešot neregulāras malas, malu stāvokļi vairs nebija pilnībā vadītāji, tādējādi apstiprinot to topoloģisko raksturu.
Malu stāvokļu mijiedarbība
Viens no interesantākajiem pētījuma atklājumiem bija tas, kas notika, kad divas plānas SnTe salas tuvinājās viena otrai. Abas salu malu stāvokļi sāka mijiedarboties, izraisot to enerģijas līmeņu nobīdi. Šī saistība nav saistīta ar spriegumu, jo tas tika rūpīgi kontrolēts, bet gan ar kvantu efektiem, piemēram, elektronu tunelēšanu un elektrostatisko mijiedarbību.
Pētnieki izstrādāja teorētisku modeli, kas apraksta, kā malas stāvokļu enerģija eksponenciāli samazinās atkarībā no attāluma starp tām. Šis novērojums ir svarīgs, jo paver iespēju precīzi kontrolēt šos stāvokļus, kas ir būtiski, ja šāda veida materiālus vēlas izmantot reālās ierīcēs.
Saskaņā ar pētījumu, “kaimiņu malu mijiedarbība rada enerģijas pārvietojumu, ko vada elektrostatiskās mijiedarbības un tunelēšanas efekta savienojuma kombinācija”.
Kādas varētu būt šī materiāla pielietojuma iespējas?
Lai gan šis atklājums vēl atrodas eksperimentālajā fāzē, tā ietekme ir ļoti plaša. Fakts, ka materiāls darbojas apstākļos, kas tuvinās istabas temperatūrai, un tā īpašības var kontrolēt ar spriegumu, padara to par daudzsološu kandidātu nākamās paaudzes tehnoloģijām.
Starp iespējamajiem pielietojumiem ir:
- Energoefektīvas elektroniskas ierīces, kurās vadīšana bez zudumiem ļautu samazināt siltumu un patēriņu.
- Spintronikas balstīta kvantu skaitļošana, izmantojot šo kanālu izturību kvantu informācijas pārraidei.
- Materiāli elektriskā vai magnētiskā lauka noteikšanai, pateicoties to malu stāvokļu jutīgumam pret ārējiem traucējumiem.
Turklāt šis darbs ievieš jaunu pieeju: izmantot mehānisko spriegumu kā instrumentu, lai aktivizētu topoloģiskās fāzes divdimensionālos materiālos, kas ir stratēģija, kuru varētu attiecināt uz citām sistēmām un kas paver plašas iespējas jaunu funkcionālu materiālu izstrādē.
