menu close Teknologiens Mediehus
person Konto arrow_drop_down
Elektronikbranchen kan godt vænne sig til et nyt begreb og et nyt materiale: topologiske isolatorer og samariumhexaborid.
Ny forskning viser, at samariumhexaborid er det hidtil bedste materiale, som i sit indre er en isolator og på overfladen er elektrisk ledende. Sådanne materialer kaldes topologiske isolatorer
En topologisk isolator svarer til at have en plasticledning belagt med et kobberlag - forskellen er blot, at topologiske isolatorer består af samme materiale fra inderst til yderst.
Topologiske isolatorer er interessante af flere årsager:
En af årsagerne er, at de har meget høj mobilitet for elektroner. Det gør dem interessante i forbindelse med fremstilling af hurtige elektroniske komponenter.
En anden er, at de særlige overfladetilstande er meget stabile over for urenheder eller uregelmæssigheder i materialets opbygning.
Da de ydermere er spinpolariserede, kan topologiske isolatorer anvendes til spintronik, baseret på komponenter, der udnytter elektronens spin i modsætning til dens ladning, som er grundlaget for sædvanlig elektronik. Spintronik er et forskningsområde, der har haft stor bevågenhed gennem flere år.
Blandt andet af disse grunde er interessen for topologiske isolatorer på det seneste eksploderet.
Det videnskabelige tidsskrift Nature har nylig berettet, at det årlige antal af forskningsartikler vedrørende topologiske isolatorer er mere end seksdoblet fra 2009 til 2012.
Eksistensen af topologiske isolatorer blev teoretisk forudsagt i 2005 af Charles Kane og Eugene Mele fra University of Pennsylvania i USA.
De er dermed undtagelse fra hovedreglen om, at nye spændende materialer først opdages eksperimentelt og sidenhen forklares teoretisk.
De særlige overfladetilstande i tredimensionale strukturer eller kanttilstande i todimensionale har teoretisk en parallel i de særlige kanttilstande, der kan opstå i forbindelse med et begreb, der kaldes kvante Hall-effekten.
Kvante Hall-effekten opstår i forbindelse med et påtrykt ydre magnetfelt, der påvirker elektronernes bevægelse, så der opstår særlige kanttilstande for elektroners bevægelse i todimensionale stukturer.
I forbindelse med topologiske isolatorer opstår tilsvarende kant- og overfladetilstande i henholdsvis todimensionale og tredimensionale strukturer. Det sker udelukkende ved en kobling mellem elektronernes spin og deres banebevægelser i atomet og uden tilstedeværelse af et ydre magnetfelt.
Denne form for spin-orbit-kobling er særlig stor i atomer med højt atomnummer, hvor elektronerne bevæger sig med relativistiske hastigheder.
De første eksempler på topologiske isolatorer blev fundet i 2007.
Gennem flere år har forskere verden over - bl.a. også ved Aarhus Universitet - studeret, hvordan bismuthselenid (Bi2Se3), bismuthtellurid (Bi2Te3) og antimontellurid (Sb2Te3) fungerer som topologiske isolatorer.
De nuværende materialer er dog ofte fyldt med urenheder, der betyder, at de i praksis er ledende såvel på overfladen som i det indre, hvor de under perfekte betingelse vil være elektriske isolatorer.
Jagten på et en ægte topologisk isolator ser dog nu til at have båret frugt.
Forskere ved bl.a. University of California, Irvine, og University of Maryland har nu vist, at materialet samariumhexaborid (SmB6) fungerer som en ideel topologisk isolator og er bedre end de nuværende krystaller af bismuthselenid.
Philip Hoffman fra Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet, der selv arbejder med topologiske isolatorer, er imponeret.
»Eksperimenterne med samariumhexaborid er meget interessante og lovende, bl.a. fordi det har været muligt at måle elektrontransporten gennem de topologiske overfladetilstande. Det er et virkeligt flot resultat, som er mere direkte og overbevisende, end jeg har set for traditionelle topologiske isolatorer,« siger han.
Mobilitet af ladningsbærerne på overfladen er målt til 72.000 cm^2/Vs.
Det er en indikation på, at materiale har stort potentiale inden højhastigheds-laveffekt-elektronik.
Til sammenligning er elektronmobiliteten i silicium ved stuetemperatur omkring 1.400 cm^2(/Vs) - mobilteten for huller er endda kun ca. en tredjedel heraf.
Det kan tilføjes, at kulstofnanorør og det todimensionale kulstofmateriale grafen har også meget høj mobilitet for ladningsbærere - og det er en af årsagerne til, at disse materialer også har fået stor opmærksomhed.
Samarium tilhører gruppen af sjældne jordarter, som for tiden primært udvindes i Kina. Grundstoffet findes bl.a. i mineralerne monazit og bastnäsit.
Samarium er dog ikke særlig sjældent. Det er det 40. mest almindelige grundstof i Jordens skorpe og er eksempelvis mere almindeligt end tin.
Samarium finder i dag bl.a. anvendelse til fremstilling af permanente magneter og inden for laserindustrien.
Det sælges primært som samariumoxid (Sm2O3) til en pris, som er blandt de laveste for oxider af de sjældne jordarter. Prisen ligger for tiden omkring 150 kr. pr. kg.
Det er normalt ikke leveringsproblemer for samariumhexaborid, som er et materiale, der første gang blev undersøgt ved Bell Laboratories i USA i 1969.
Forskerne fra Jing Xias forskergruppe fra University of California, Irvine, skriver dog i deres nye artikel, at materialet besidder mange eksotiske egenskaber, som man stadig mangler gode forklaringer på.
Jing Xia henviser dog til, at andre forskere for nylig har peget på, at der kan findes en stærk spin-orbit-kobling i samariumhexaborid, som kan betyde, at materialet er en topologisk isolator.
Det er denne hypotese, som eksperimenterne nu understøtter.
Philip Hoffman og Aarhus Universitet har for nylig fået en bevilling på syv millioner kroner fra Villum Fonden til forskning inden for topologiske isolatorer.
Han har gennem flere år arbejdet med bismuthselenid, og han vil nu i samarbejde med Bo Brummerstedt Iversen fra universitetets Institut for Kemi bl.a. forsøge at fremstille mere perfekte bismuthselenid-krystaller, end det hidtil har været muligt for at undersøge dette materiales egenskaber mere indgående.
»Vi har dog ingen umiddelbar plan om at studere samariumhexaborid. Vi arbejder hårdt på at måle overfladeledningsevnen i en konventionel toplogisk isolator. Det er vigtigt at få det til at lykkes, fordi båndgabet af 'normale' topologiske isolatorer kan blive meget større end i samariumhexaborid,« siger Philip Hoffman.
Han henviser hertil, at båndgabet mellem ledningsbåndet og valensbåndet er en væsentlig parameter for såvel halvledermaterialer og topologiske isolatorer, når de skal bruges som mikroelektronikkomponenter.
Topological Insulators (oversigtsartikel)
Topologiske isolatorer ved Aarhus Universitet
Robust Surface Hall Effect and Nonlocal Transport in SmB6: Indication for an Ideal Topological Insulator
Magnetic and Semiconducting Properties of SmB6 (artikel fra 1969)
Discovery of the First Topological Kondo Insulator: Samarium Hexaboride
