Kilka lat temu polscy naukowcy odkryli nową klasę materiałów (topologiczne izolatory krystaliczne), które tylko po wierzchu sprawiają wrażenie świetnych przewodników. Powierzchnia każdego takiego kryształu zachowuje się jak metal - świetnie przewodzi prąd. Okazuje się jednak, że prąd przez wnętrze takiego materiału nie powinien przepływać - w swojej objętości każdy z takich kryształów jest bowiem izolatorem.

Materiały te wykazują szereg unikalnych właściwości, m.in. zapewniają - ważną w ewentualnych zastosowaniach - swoistą odporność ruchu elektronów na zewnętrzne zaburzenia i defekty w krysztale.

Z każdym miesiącem unikalne właściwości topologicznych izolatorów krystalicznych poznawane są coraz lepiej. Badania na ten temat niemiecko-szwajcarsko-polskiego zespołu, którego liderem był dr Paolo Sessi, ukazały się w grudniu w prestiżowym tygodniku "Science". Pokazują one nową ciekawą cechę jednego z takich materiałów - kryształu mieszanego selenku ołowiu i selenku cyny (Pb,Sn)Se. Chodzi o to, jak zachowują się elektrony na powierzchni takiego materiału, kiedy napotkają najmniejszą możliwą przeszkodę - nanometrowej wielkości schodek.

Wyniki są nadzieją w rozwoju spintroniki, miniaturyzacji urządzeń i w pracach nad urządzeniami efektywniej przewodzącymi prąd.

Badania te dotyczą materiałów topologicznych. A to dział badań, za który przyznano w tym roku Nagrodę Nobla z fizyki (http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,411460,noblisci-z-fizyki---pionierzy-teoretycznych-badan-nad-zjawiskami-topologicznymi.html).

KIEDY KRYSZTAŁOM DAJE SIĘ ŁUPNIA, POJAWIAJĄ SIĘ SCHODY

Kiedy badacze wykonują pomiary na powierzchni kryształu (Pb,Sn)Se, muszą go idealnie przełupać - tak, aby powierzchnia nawet na poziomie cząsteczkowym była gładka. To jednak w praktyce jest bardzo trudne. Zwykle bowiem na powierzchni powstają nierówności - maleńkie schodki. Naukowców ciekawiło, jak zachowują się elektrony, które na taki schodek się natkną. Odpowiedź wcale nie okazała się oczywista.

Badaczom udało się zaobserwować, co dzieje się u podnóży takich najmniejszych możliwych schodków - o wysokości 0,3 nm (1 nm to milionowa część milimetra). "To tyle, ile jest od jednego atomu w tym krysztale do sąsiedniego. Nazywamy to schodkami atomowymi" - wyjaśnia w rozmowie z PAP jeden z autorów badania prof. Tomasz Story z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie. Jak zaznacza, takie atomowe schodki udało się na razie uzyskać tylko w kryształach (Pb,Sn)Se wytworzonych w jego instytucie metodą opracowaną przez dra Andrzeja Szczerbakowa.

Żeby tego było jeszcze mało, badaczom udało się uzyskać schodki, które ciągną się na odległości mikronowe (są więc tysiące razy dłuższe niż wyższe). "Wzdłuż nich tworzy się jednowymiarowy kanał przewodzenia prądu elektrycznego. To dziwaczny kanał - jest on niezwykle wąski i niski, ale bardzo długi. Taki kanał przewodzi prąd zupełnie inaczej, niż się spodziewaliśmy" - mówi prof. Tomasz Story.

PORZĄDNE TRASY ELEKTRONOWE WZDŁUŻ PODNÓŻA NANOSCHODKÓW

Jak wyjaśnia fizyk, w kanale tym - biegnącym wzdłuż podnóża atomowego schodka - przenosi się nie tylko prąd elektryczny, ale także moment magnetyczny elektronów - spin. Spin można sobie wyobrazić jako właściwość związaną z ruchem obrotowym elektronu wokół własnej osi. Spin elektronu może mieć tylko dwie wartości: "w górę" albo "w dół". Właściwości magnetyczne materii zależą od tego, w jaki sposób względem siebie ułożone są spiny poszczególnych elektronów. Zwykle w nienamagnesowanym materiale spiny elektronów rozłożone są chaotycznie - połowa ma spin "w górę", a połowa - "w dół".

"A w naszym kanale elektrony same się porządkują. Kanał ten jest spinowo spolaryzowany" - opowiada prof. Story. Dodaje, że np. gdy elektrony poruszają się wzdłuż schodka w jedną stronę, muszą mieć spin "w górę", a gdy w drugą - spin "w dół". Dwa takie kanały mogą znajdować się obok siebie, ale elektrony z tych kanałów się ze sobą nie mieszają. Co dodatkowo ciekawe - od wysokości schodka zależy, czy uporządkowany ruch elektronów u jego podnóża będzie zachodził, czy może raczej nie.

W badaniach międzynarodowego zespołu odkryto niezwykłe właściwości maleńkich schodków zaprojektowanych przez przyrodę. Kwestią czasu jest już tylko zaprojektowanie takich nanostopni samodzielnie - tak, aby stały się maleńkimi obwodami, po których elektrony popłyną dokładnie tak, jak będzie potrzeba.

MATERIAŁY DLA SPINTRONIKI PÓŁPRZEWODNIKOWEJ

"Wiele osób liczy na to, że jeśli będziemy tam w stanie przepuścić prąd, będzie on płynął z mniejszymi stratami energii. A to z kolei wiązałoby się z tym, że jeśli przygotuje się na bazie takich schodków przyrząd, będzie się nagrzewał w stopniu minimalnym" - komentuje naukowiec.

W każdym mikroprocesorze - stosowanym np. w urządzeniach elektronicznych - jest mnóstwo elementów, które wymagają zasilania prądem elektrycznym. Przy okazji dostarczania do nich małych porcji energii - wydziela się dużo ciepła i sporo energii się marnuje. Poszukuje się więc materiałów, w których prąd elektryczny przewodzony będzie prawie bez strat. A takie nadzieje dają m.in. izolatory topologiczne. "To może oznaczać pokonanie praktycznej bariery w dalszej miniaturyzacji układów elektronicznych" - komentuje rozmówca PAP.

Prof. Story podkreśla, że nowy materiał jest również atrakcyjny dla rozwoju spintroniki - działu elektroniki, w którym informacja przenoszona jest nie tylko przez ładunek, ale także przez spin elektronu. "W spintronice używa się metalicznych materiałów magnetycznych. A chcielibyśmy tam stosować i inne materiały lepiej dopasowane do współczesnych technologii półprzewodnikowych" - mówi prof. Story.

W badaniach opublikowanych w "Science" wzięli udział badacze z Uniwersytetu w Wuerzburgu, Uniwersytetu w Zurychu oraz Instytutu Fizyki PAN (oprócz prof. Storego byli to dr hab. inż. Andrzej Szczerbakow i mgr Piotr Dziawa).

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ mrt/