«Топологический изолятор – это материал, который является изолятором внутри, но обладает высокой проводимостью на своей поверхности», – сказала доцент физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Андреа Янг. Янг объяснил, что в двумерном пространстве идеальный топологический изолятор будет иметь «баллистическую» проводимость по краям, а это означает, что электроны, проходящие через область, будут сталкиваться с нулевым сопротивлением.
По иронии судьбы, хотя работа Кейна и Меле привела к открытию топологического изоляционного поведения в самых разных материалах, их первоначальное предсказание – топологического изолятора в графене – осталось нереализованным.
В основе проблемы лежит спин-орбитальная связь – слабый эффект, при котором спин электрона взаимодействует с его орбитальным движением вокруг ядра.
Критично для всех топологических изоляторов, спин-орбитальная связь в графене исключительно слаба, так что любое топологическое изолирующее поведение заглушается другими эффектами, возникающими на поверхности, на которой закреплен графен.
«Слабая спин-орбитальная связь в графене – очень жаль», – сказал доктор Джошуа Айленд, доктор наук, потому что на практике с топологическими изоляторами в двух измерениях все не так хорошо. «Известные на сегодняшний день двумерные топологические изоляторы неупорядочены, и с ними нелегко работать», – сказал Айленд.
Проводимость на краях имеет тенденцию быстро уменьшаться с расстоянием, на которое проходят электроны, что позволяет предположить, что она далека от баллистической. Реализация топологического изолятора в графене, в остальном очень совершенном двумерном материале, могла бы обеспечить основу для баллистических электрических цепей с низким коэффициентом рассеяния или сформировать материальную подложку для топологически защищенных квантовых битов.
Теперь, в работе, опубликованной в журнале Nature, Island, Янг и их сотрудники нашли способ превратить графен в топологический изолятор (ТИ). «Цель проекта состояла в том, чтобы увеличить или улучшить спин-орбитальное взаимодействие в графене», – сказал ведущий автор Айленд, добавив, что в течение многих лет предпринимались попытки с ограниченным успехом. "Один из способов сделать это – поместить материал, который имеет очень большую спин-орбитальную связь, в непосредственной близости с графеном. Была надежда, что, сделав это, ваши электроны графена приобретут это свойство основного материала », – пояснил он.
Материал выбора? Изучив несколько возможностей, исследователи остановились на дихалькогениде переходного металла (TMD), состоящем из переходного металла вольфрама и халькогена селена.
Подобно графену, диселенид вольфрама имеет двумерные монослои, связанные вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые представляют собой относительно слабые и зависящие от расстояния взаимодействия между атомами или молекулами. Однако, в отличие от графена, более тяжелые атомы TMD приводят к более сильному спин-орбитальному взаимодействию. Полученное устройство имеет баллистическую электронную проводимость графена, дополненную сильной спин-орбитальной связью с соседним слоем TMD.
«Мы действительно наблюдали очень явное усиление этой спин-орбитальной связи», – сказал Айленд.
«Добавив спин-орбитальную связь правильного типа, Джошуа смог обнаружить, что это на самом деле приводит к новой фазе, которая почти топологически изолирует», – сказал Янг. По его словам, в первоначальной идее топологический изолятор состоял из монослоя графена с сильной спин-орбитальной связью.
«Нам пришлось использовать уловку, доступную только в многослойных графенах, чтобы создать правильный тип спин-орбитальной связи», – объяснил Янг об их эксперименте, в котором использовался бислой графена. "Итак, вы получаете что-то, что приблизительно соответствует двум топологическим изоляторам, установленным друг на друга.«Функционально, однако, устройство Island работает так же, как и другие известные двумерные топологические изоляторы – важнейшие краевые состояния распространяются по крайней мере на несколько микрон, что намного дольше, чем в других известных материалах TI.
Кроме того, по словам Янга, эта работа на один шаг ближе к созданию реального топологического изолятора с графеном. "Теоретическая работа с тех пор показала, что трехслойный графен, изготовленный таким же образом, приведет к настоящему топологическому изолятору."
Что наиболее важно, устройства, реализованные Айлендом и Янгом, могут быть легко настроены между топологической изолирующей фазой и обычным диэлектриком, не имеющим проводящих краевых состояний.
«Вы можете прокладывать эти идеальные проводники где угодно, – сказал он, – и это то, что никто не смог сделать с другими материалами."