Еще один шаг к электронике с низким энергопотреблением

Федеральная политехническая школа, Лозанна (EPFL)

Топологические изоляторы — это материалы, в которых электрический ток протекает по поверхности, но не может проходить внутри объемных элементов, изготовленных из них. Это экзотическое свойство делает топологические изоляторы перспективными для изготовления электронных приборов, обладающих низким энергопотреблением, и, возможно, применимо даже в квантовой вычислительной технике. Исследователи из Федеральной политехнической школы выявили новый класс топологических изоляторов и обнаружили материал, который стал первым представителем данного класса. Полученный результат может стимулировать использование топологических изоляторов на практике. Информация о работе, выполненной в рамках проекта NCCR Marvel, осуществляемого по инициативе EPFL, опубликована в журнале Nature Materials.

Признание важности практического применения топологических изоляторов привело к интенсивным поискам оптимальных естественных и искусственных материалов с необходимыми свойствами. Подобная работа включают теоретические исследования, которые дают ответ на вопрос, какими свойствами должна обладать структура конкретного вещества. Материалы, чей выбор сделан на основе компьютерного моделирования, впоследствии подвергаются экспериментальным исследованиям, чтобы определить, соответствуют ли топологические изолирующие свойства предварительным теоретическим оценкам.

Именно такая работа выполнена в лаборатории Олега Язъева в Институте теоретической физики (входит в EPFL) совместно с коллегами-экспериментаторами из разных стран. В результате теоретической оценки потенциальных кандидатов из перечня предварительно отобранных материалов исследователи выделили материал, который они назвали «кристаллическая фаза» иодида висмута (BiI3) и который, по их мнению, является «первым номером» в новом классе топологических изоляторов.

Особое внимание к этому материалу привлекает то, что его атомная структура не похожа ни на один из известных к настоящему времени изоляторов. Соответственно, он отличается и своими свойствами.

К достоинствам иодида висмута следует отнести большую степень упорядоченности структуры, чем у известных до сих пор топологических изоляторов, при наличии значительно меньшего количества дефектов. Для того чтобы объем материала имел свойства изолятора, в структуре материала количество дефектов должно быть минимальным.

Исследования показали, что даже первые образцы иодида висмута имели крайне малую концентрацию структурных дефектов.

После теоретического анализа иодида висмута ученые протестировали его экспериментально, использовав набор разнообразных методов. Основное подтверждение было получено с помощью прямого эксперимента, называемого «фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением». Это позволило исследователям «видеть» электронные состояния на поверхности твердого материала.

Результаты измерений, проведенных в Национальной лаборатории университета Беркли, полностью соответствуют предварительным расчетам, сделанным Габриелем Отезом (Gabriel Autes) в лаборатории Язъева. Расчеты действительной электронной структуры были произведены в швейцарском Национальном центре сверхвычислений, а анализ результатов испытаний выполнен учеными из EPFL и других организаций.

Вначале исследования носили теоретический характер, а в затем прошли все необходимые экспериментальные подтверждения. В лаборатории Язъева продолжаются исследования свойств иодида висмута, а также изучаются материалы с похожими структурами. В то же время другие лаборатории объединяют усилия в развитии теории, касающейся нового класса топологических изоляторов, и продолжают эксперименты.