‘Halı’ büyütme yöntemi uzun zamandır aranan 2 boyutlu kuantum malzemesini sağlıyor

Onlarca yıldır fizikçiler pratik bir iki boyutlu topolojik yalıtkan arıyorlardı: iç kısmı elektriği engelleyen ancak kenarları elektriği ileten ultra ince bir malzeme. Sıradan tellerde elektronlar sürekli olarak kusurlardan sekerek enerji kaybederler. Ancak 2 boyutlu bir topolojik yalıtkanın kenarları boyunca, zıt dönüşlere sahip elektronlar, tek yönlü şeritlerdeki arabalar gibi zıt yönlerde hareket ederler, dolayısıyla nadiren dağılırlar ve enerji kaybederler.

Şimdi, Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu’ndaki (UChicago PME) araştırmacılar, bizmut tellürün ultra ince filmlerinin böyle bir malzeme olduğunu gösterdi. Çalışma, şu tarihte yayımlandı: ACS Nanotekdüze kalınlıkta bir bizmut tellür filmi üretmek ve malzemenin özellikleri hakkındaki teorik tahminleri doğrulamak için yeni bir yaklaşım kullandı.

UChicago PME’de moleküler mühendislik yardımcı doçenti ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı Shuolong Yang, “Kesin bilimsel anlamda, bunun gerçekten de 2 boyutlu bir topolojik yalıtkan olduğuna dair kesin spektroskopik kanıt gösteren ilk biziz” dedi. “Geçmişte insanlar bu filmleri yarattığında hepsi bir, iki, üç veya dört katmanla karıştırılıyordu ve topolojik elektronik özellikler çözülemiyordu.”

Üç boyuttan iki boyuta

Bizmut tellür uzun zamandır elektriği yalnızca yüzeylerinde ileten üç boyutlu bir topolojik yalıtkan olarak biliniyor. Teorisyenler, beşli katmanlarından yalnızca iki tanesine (toplamda iki nanometre kalınlıkta) kesilmesi durumunda 2 boyutlu bir topolojik yalıtkan haline geleceğini öngördüler.

Yang, “3B’den 2B’ye geçtiğinizde aniden tüm fiziksel prensiplerin yeniden değerlendirilmesi gerekiyor” dedi.

Prensipte bazen kuantum spin Hall sistemi olarak adlandırılan böyle bir sistem neredeyse kayıpsız olabilir.

Makalenin ilk yazarı ve Yang’ın laboratuvarında eski bir doktora sonrası araştırmacı olan ve şu anda Güney Kore’deki Gachon Üniversitesi’nde profesör olan Woojoo Lee, “Bu kuantum spin Hall sistemini kullanırsak, ideal olarak enerji veya bilgiyi kayıpsız göndermek için nicelenmiş iletkenliğe sahip iletken uç kanallar elde edebiliriz” dedi.

Ancak 2D bizmut tellürit yapmanın zor olduğu kanıtlandı. Elektronik özellikleri kalınlığına bağlı olarak önemli ölçüde değişir, bu nedenle kesin sonuçlara varmak için filmin her yerinde tutarlı bir kalınlığa sahip olması gerekir. Önceki denemelerde, değişen kalınlıklarda küçük piramitler halinde yığılan filmler üretildi.

Daha düzgün bir şey elde etmek için Lee ve Yang, vakumda atomları bir kristal yüzeye her seferinde bir katman halinde bırakan bir teknik olan moleküler ışın epitaksisini kullandılar. Yüzlerce numuneyi büyüttükten ve büyüme koşullarında ince ayar yaptıktan sonra araştırmacılar, filmin alttaki kristaldeki küçük atomik adımlar üzerinde sürekli olarak kaplandığı “halı modu” adını verdikleri şekilde filmlerin büyümesini sağlamanın bir yolunu buldular.

Yang, “Gerçekten merdiven üzerinde duran bir halıya benziyor” dedi.

Dahası, milimetre çapında (önceki çalışmalarda üretilen parçalardan binlerce kat daha geniş) ve diğer yüzeylere taşınabilen bir film oluşturabildiler. Bu halı modu, Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’deki profesör Pinshane Huang’ın grubunun yanı sıra UChicago’daki doçent Chong Liu ve profesör Shirley Meng’in gruplarındaki işbirlikçileri tarafından atomik ölçekli transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak deneysel olarak doğrulandı.

Spektroskopik kanıt

Ekip, üretilen ince filmin özelliklerini incelemek için üç farklı tekniğe yöneldi. İlk olarak, bant yapısını (elektronların sahip olabileceği enerjileri ve momentumları) haritalandırmak için açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisini kullandılar. Katmanlar birer birer eklendikçe bant yapısı tahminlerle yakın bir uyum içinde değişti.

Yang, “Teoriye neredeyse mükemmel bir şekilde uyuyor” dedi. “Bu sonuçları ilk görmeye başladığımızda buna inanmak gerçekten zordu.”

İkinci olarak, malzemenin atomlarını uyum içinde titreştirmek için ultra hızlı lazer darbeleri kullandılar ve tepki olarak elektronların enerjilerinin nasıl değiştiğini izlediler. Desenler topolojik bir durum için beklenenlere benziyordu. Son olarak, profesör Mark Hersam’ın Northwestern Üniversitesi’ndeki laboratuvarındaki çalışma arkadaşları, kenar durumlarını incelemek için taramalı tünelleme spektroskopisini kullandılar; bu da yine 2 boyutlu topolojik malzemeye işaret etti.

Yang, Lee ve meslektaşları ayrıca üst katmanı manganez bizmut tellürüre dönüştürmenin bant aralığını (malzemenin kenarlarının hala elektrik iletebildiği enerji aralığı) genişlettiğini gösterdi. Ekip, bu alternatif üst katmanla malzemenin potansiyel olarak oda sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta çalışabileceğini söyledi.

Daha sonra araştırmacılar, filmlerin elektrik direncini ölçmeyi amaçlıyor; bu, topolojik özelliklerinin son doğrulaması.

Yang, “Şu ana kadar çalışmamız spektroskopiydi, dolayısıyla elektriksel direnç ölçümünü yapmadık ancak orada olması gerektiğini düşünüyoruz; fizik orada” dedi. “Bu kesinlikle bir sonraki hedef.”