Geometria di misurazione del trasporto:misurazione di una superficie V:BSSTS appena tagliata. Credito:FLEET
Dalla loro scoperta nel 2006, gli isolanti topologici sono stati ampiamente discussi come una strada promettente per l'elettronica ad alta efficienza energetica. I loro stati limite unici ad alta mobilità hanno una forma di "armatura quantica" che li protegge da eventi di dispersione di elettroni che altrimenti produrrebbero calore disperso.
Sfortunatamente, le applicazioni pratiche degli isolanti topologici sono state fortemente limitate dalle piccole lacune elettroniche nella maggior parte dei materiali noti. Ciò significa che mentre funzionano bene a temperature molto basse producendo elettroni di superficie altamente mobili, a temperature più elevate, dominano gli stati elettronici di massa, e questi non sono migliori che in altri semiconduttori tradizionali.
Ora, un team guidato dal professor Xiaolin Wang (UOW) in collaborazione con Michael Fuhrer (Monash), hanno combinato chimica intelligente e misurazioni elettroniche avanzate per sviluppare un nuovo isolante topologico con una banda proibita "ampia" superiore a 300 meV, che è 12 volte maggiore dell'energia termica di un sistema a temperatura ambiente.
L'autore principale dello studio, un Weiyao Zhao, un dottorato di ricerca studente a Wollongong spiega, "L'aspetto speciale di questo materiale è la combinazione di un ampio bandgap, e l'esistenza di uno stato superficiale robusto."
Precedenti studi hanno suggerito che la sostituzione dello zolfo in un Sb 2 Te 3 o Bi 2 Te 3 isolanti topologici comporterebbe un gap di banda maggiore. Però, questo è molto difficile in pratica perché la struttura cristallina diventa instabile a causa della mancata corrispondenza delle dimensioni degli atomi.
Per raggiungere la stabilità, Zhao ha utilizzato uno schema basato sulla co-sostituzione dello zolfo bilanciato da una piccola quantità di ioni più grandi di vanadio e stagno, risultando il materiale complesso Vx:Bi 1.08 -xSn 0.02 Sb 0.9 Te 2 S. Tali composti sono talvolta chiamati scherzosamente composti "numeri di telefono" da fisici e chimici a causa delle loro lunghe formule chimiche.
Cristallo isolante topologico su larga scala. Credito:FLEET
Questo composto è stato il culmine di due anni di sperimentazione da parte di Zhao, che ora è all'ultimo anno del suo dottorato di ricerca. a Wollongong.
Una scoperta chiave è stata la chiara evidenza di un gap di banda crescente che scala con il contenuto di vanadio. In tandem, utilizzando una tecnica di trasporto basata sull'osservazione di oscillazioni quantistiche per campi magnetici ad angoli diversi, il team è stato in grado di dimostrare che lo stato superficiale è attivo fino alle grandi temperature di 50 K. Ciò pone il materiale alla pari con i più noti isolanti topologici.
Con l'ampio intervallo di banda intrinseco ci sono forti prospettive per aumentare ulteriormente le temperature operative attraverso la riduzione delle concentrazioni di difetti e l'implementazione di tecniche di nanofabbricazione.
Il prof. Wang ha affermato:"Siamo in grado di osservare il robusto stato topologico della superficie 2-D a temperature fino a 50 K in campi magnetici fino a 14 Tesla su cristalli isolanti topologici di grandi dimensioni. Questo è notevole, poiché i grandi cristalli isolanti topologici 3D possono essere utilizzati come nuova classe di substrato per ospitare nuovi stati quantistici come i fermioni di Majorana e altri effetti dipendenti dallo spin".
Questo sviluppo si adatta al tema della tecnologia abilitante all'interno di FLEET che mira a sviluppare materiali in grado di funzionare ad alta temperatura per sostituire il silicio nelle tecnologie informatiche.
La carta, "Oscillazioni quantistiche di stati superficiali topologici robusti fino a 50 K in un isolante topologico spesso isolante, " è stato pubblicato in npj Materiali quantistici .
