Metoda de creștere „covor” produce un material cuantic 2D mult căutat
Cercetătorii de la Școala de Inginerie Moleculară Pritzker a Universității din Chicago au demonstrat că peliculele ultrasubțiri de telurură de bismut se comportă ca izolatori topologici bidimensionali, materiale în care interiorul blochează electricitatea dar marginile o conduc. Rezultatele au fost publicate în revista ACS Nano.
Izolatorii topologici 2D, cunoscuți și ca sisteme cu efect Hall de spin cuantic, ar putea permite transportul fără pierderi de energie al informației, deoarece electronii cu spini opuși călătoresc în direcții opuse pe margini, similar unor benzi cu sens unic, reducând împrăștierea.
Telurura de bismut era cunoscută ca izolator topologic 3D, conducând electricitatea doar pe suprafețe. Teoreticienii au prezis că reducerea la două straturi cvintuple, adică aproximativ doi nanometri grosime, ar transforma materialul într-un izolator topologic 2D. „Când treci de la 3D la 2D, toate principiile fizice trebuie reconsiderate”, a declarat Shuolong Yang, profesor asistent de inginerie moleculară la UChicago PME și autor senior al lucrării.
Producerea telururii de bismut 2D s-a dovedit dificilă, deoarece proprietățile electronice se schimbă dramatic în funcție de grosime, iar peliculele anterioare formau mici piramide cu grosimi variabile. Woojoo Lee, primul autor al lucrării, fost cercetător postdoctoral în laboratorul lui Yang și acum profesor la Universitatea Gachon din Coreea de Sud, a explicat că un astfel de sistem ar putea atinge conductanță cuantificată pentru transportul energiei sau informației fără pierderi.
Echipa a folosit epitaxia cu fascicul molecular, depunând atomi strat cu strat pe o suprafață cristalină în vid. După sute de mostre și ajustări ale condițiilor de creștere, cercetătorii au obținut un mod de creștere numit „covor”, în care pelicula se întinde continuu peste treptele atomice ale cristalului suport. „Este exact ca un covor așezat pe o scară”, a spus Yang. Pelicula rezultată are milimetri lățime, de mii de ori mai mare decât mostrele anterioare, și poate fi transferată pe alte suprafețe.
Uniformitatea a fost verificată experimental prin microscopie electronică de transmisie la scară atomică de către colaboratori din grupul profesoarei Pinshane Huang de la Universitatea Illinois Urbana-Champaign, împreună cu grupurile conferențiarului Chong Liu și profesoarei Shirley Meng de la UChicago.
Echipa a investigat proprietățile peliculei prin trei metode. Spectroscopia de fotoemisie rezolvată unghiular a cartografiat structura de benzi, iar modificările pe măsură ce se adăugau straturi au corespuns aproape perfect cu predicțiile teoretice. „Se potrivește aproape perfect cu teoria. Când am început să vedem aceste rezultate, era greu de crezut”, a afirmat Yang. Impulsuri laser ultrarapide au făcut atomii să vibreze în unison, iar deplasările energetice ale electronilor au semănat cu cele așteptate pentru o stare topologică. Colaboratorii din laboratorul profesorului Mark Hersam de la Universitatea Northwestern au folosit spectroscopie cu efect tunel pentru a studia stările de margine, confirmând comportamentul de material topologic 2D.
Cercetătorii au arătat de asemenea că transformarea stratului superior în telurură de mangan și bismut lărgește banda interzisă, intervalul de energii la care marginile pot conduce electricitatea. Cu acest strat alternativ, materialul ar putea funcționa aproape de temperatura camerei.
Următorul obiectiv este măsurarea rezistenței electrice a peliculelor, o confirmare finală a proprietăților topologice. „Până acum studiul nostru este spectroscopic, nu am făcut acea măsurătoare a rezistenței electrice, dar credem că ar trebui să existe – fizica este acolo. Acesta este clar următorul obiectiv”, a declarat Yang.
