Topologische Isolatoren wecken die aufregende Hoffnung, verlustfreien Energietransport zu realisieren, was bei ultratiefen Temperaturen der Fall ist. Allerdings gelingt es topologischen Isolatoren nicht, diese verlustfreie „Magie“ bei Raumtemperatur aufrechtzuerhalten.
Forscher der Monash University, die zum FLEET Center gehört, haben neue Erkenntnisse zur Effizienz topologischer Isolatoren gewonnen und die erhebliche Diskrepanz zwischen ihrem magischen verlustfreien Energietransport bei ultraniedrigen Temperaturen und den nachteiligen Problemen, die bei Raumtemperatur auftreten, beleuchtet.
Der Studieveröffentlicht in Nanoskalauntersucht, warum es für topologische Isolatoren große Herausforderungen gibt, ihre Eigenschaften in einer praktischen Arbeitsumgebung aufrechtzuerhalten, insbesondere aufgrund der Rolle von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen.
Topologische Isolatoren, insbesondere zweidimensionale (2D) topologische Isolatoren, sind für ihre einzigartige Eigenschaft bekannt, Elektrizität durch die Grenze/Kante zu leiten, während die Hauptoberfläche elektrisch isolierend bleibt.
Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht einen einseitigen Trägertransport ohne Rückstreuung und der daraus resultierende, durch Streuung verursachte vernachlässigbare elektrische Widerstand lässt einen verlustfreien Trägertransport erwarten.
Tatsächlich weisen diese topologischen Isolatoren bei ultraniedrigen Temperaturen häufig einen verlustfreien Ladungsträgertransport auf, was den Erwartungen entspricht. Die Aufrechterhaltung dieser Eigenschaft wird jedoch zu einer ernsthaften Herausforderung, wenn die Temperaturen auf Raumtemperatur ansteigen, da hier Phononen (Quanten von Gitterschwingungen) mit den Ladungsträgern ins Spiel kommen.
Die Rolle von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen
Diese Studie liefert eine gründliche Analyse des Zusammenspiels zwischen Träger und Phonon sowie des Energietransports im zweidimensionalen topologischen Isolator bei unterschiedlichen Temperaturen.
Das Wechselspiel zwischen Elektron und Phonon (d. h. Elektron-Phonon-Wechselwirkungen) spielt eine entscheidende Rolle bei der beobachteten deutlichen Zunahme des elektrischen Widerstandes.
Theoretische Modellierungen ergaben, dass die Elektron-Phonon-Streuung eine bedeutende Quelle der Rückstreuung an den topologischen Randzuständen ist, wobei die Stärke der Wechselwirkungen stark mit der Dispersion der elektronischen Randzustände korreliert.
Die Wechselwirkungen nehmen mit der Temperatur erheblich zu und sind bei den nichtlinear verteilten Randzuständen nativer Kanten viel stärker als bei den linear verteilten Randzuständen passivierter Kanten, was zu einer erheblichen Energiedissipation im Temperaturbereich von 200 bis 400 K führt.
Diese Studie verdeutlicht daher die Unterschiede zwischen der Leistung bei ultraniedrigen Temperaturen und bei praktischer Operationssaaltemperatur.
„Da wir in dieser Studie sowohl lineare als auch nichtlineare Randdispersionen berücksichtigt haben, können unsere Ergebnisse auf eine Vielzahl topologischer Isolatoren angewendet werden“, sagte Enamul Haque, der Hauptautor der Studie.
Ein verbessertes grundlegendes Verständnis der Rolle der Elektron-Phonon-Streuung an den Kanten von 2D-topologischen Isolatoren gilt als entscheidend für die Weiterentwicklung der Technologie zukünftiger Elektronik auf Basis von 2D-topologischen Isolatoren. Bisherige Arbeiten konzentrierten sich jedoch weitgehend auf Oberflächenzustände von 3D-topologischen Isolatoren und isolierende Oberflächen von 2D-topologischen Isolatoren.
„Unsere Erkenntnisse könnten eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Anwendung topologischer Isolatoren in praktischen elektronischen Geräten spielen“, sagt Haque.
Die Erkenntnisse aus dieser Studie können als Leitfaden für die Suche nach neuen Quantenmaterialien oder zur Überwindung der bestehenden Einschränkungen dienen. Durch die Überwindung dieser Probleme bei Raumtemperatur können Wissenschaftler das volle Anwendungspotenzial topologischer Isolatoren in praktischen Technologien, beispielsweise Quantentransistoren und Quantengeräten, ausschöpfen.
„Ein klares Verständnis der Elektron-Phonon-Wechselwirkungen in den topologischen Randzuständen kann dazu beitragen, eine starke Quantendekohärenz in Qubits zu entwickeln, was möglicherweise die Stabilität und Skalierbarkeit von Quantencomputern verbessern würde“, sagte Professor Nikhil Medhekar, leitender Forscher und FLEET-Chefermittler.
Weitere Informationen:
Enamul Haque et al, Elektron–Phonon Wechselwirkungen an den topologischen Randzuständen in einzelnen Doppelschichten Bi(111), Nanoskala (2024). DOI: 10.1039/D4NR02172J