Kenarlarda kayıpsız iletim

Tungsten (IV) ditellürid (WTe2) yarı metalinin atomik ince tabakaları, kristal kenarlarındaki dar, tek boyutlu kanallar boyunca elektrik akımını kayıpsız bir şekilde iletir. Bu nedenle WTe2 ikinci dereceden bir topolojik yalıtkandır. Bu davranışın deneysel kanıtı elde edilerek, fizikçiler topolojik süper iletkenlik için aday malzeme havuzunu genişletmeyi başardılar.

Topolojik izolatörler, geleceğin elektroniğinde potansiyel olarak süper iletken olarak kullanılabildikleri için önemli bir araştırma alanı olarak öne çıkmaktadır. Bu tür malzemeler iç kısmında yalıtkanlar gibi davranırken, yüzeylerinde metalik özelliklere sahiptir ve elektrik iletirler. Topolojik bir yalıtkanın üç boyutlu bir kristalinin içerisinden akım akmazken, yüzeyinde elektrik akımı iletilebilir. Kuantum mekaniği nedeniyle, yüzeydeki iletkenlik neredeyse kayıpsızdır – elektrik, ısı üretimi olmadan uzun mesafelerde gerçekleştirilebilme imkanı bulundurur.

Bu malzemelere ek olarak, ikinci dereceden topolojik izolatörler olarak bilinen başka bir sınıf vardır. Bu üç boyutlu kristaller, yalnızca belirli kristal kenarları boyunca uzanan iletken, tek boyutlu kanallara sahiptir. Bu tür malzemeler özellikle kuantum hesaplamadaki potansiyel uygulamalar için oldukça uygundur.

Teorik öngörü

Bu deney üzerinde çalışan bilim insanları, yarı metal bizmutun ikinci dereceden bir topolojik materyalin bazı özelliklerini sergilediğini varsaymaktadır. Dahası, araştırmacılar -teorik olarak- başka bir yarı metal, tungsten ditellürid (WTe2) atomik olarak ince tabakalarının, ikinci dereceden topolojik izolatörler gibi davranacağını – diğer bir deyişle, kenarlarda kayıpsız bir şekilde elektrik yapacaklarını tahmin ettiler.

Basel Üniversitesi Fizik Bölümü’nden Profesör Christian Schönenberger ve Basel Üniversitesi İsviçre Nanobilim Enstitüsü tarafından yönetilen ekip bir ila 20 katmandan oluşan küçük tungsten ditellürid kristallerini analiz etti. Malzemenin elektriksel özelliklerini belirlemek için manyetik alan uygulamadan önce süper iletken kontaklar yapıştırdılar. Malzeme oksidasyona karşı hassas olduğundan, araştırmacılar özel bir düşük oksijen kutusunda çalıştılar ve tungsten ditellüridi havada stabil olan başka bir kristalle kapladılar.

Karakteristik salınımlar

Ana kristal içindeki akım akışını analiz ederek, bilim insanlar yavaş yavaş çürüyen salınımlar tespit ettiler.

Dr. Artem Kononov ve Georg H. Endress bu tespitlerini “Tekdüze bir akım dağılımı hızla bozulan salınımlara yol açarken, son derece iletken kenar durumları, ölçtüğümüz gibi güçlü salınımlı, yavaş yavaş çürüyen akımlar üretir.” şeklinde açıkladılar. Buna göre sonuçlar için olası tek açıklama, akımın büyük bir kısmının dar kenarlar boyunca akmasıdır.

Bu gözlemler ise, tungsten ditellüridin daha yüksek dereceli bir topolojik materyal olduğu teorik tahminlerini desteklemektedir. Teori ve deneyin uyumlu ilerlemesinin bir sonucu olan bu gelişme malzeme bilimi ve kuantum hesaplamanın geleceği açısından önemli bir gelişme olarak düşünülmektedir.

Kaynakça

1. Artem Kononov, Gulibusitan Abulizi, Kejian Qu, Jiaqiang Yan, David Mandrus, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, and Christian Schönenberger
   One-dimensional edge transport in few-layer WTe2
   Nano Letters (2020), doi: 10.1021/acs.nanolett.0c00658
2. Lossless conduction at the edges by University of Basel