Topologisk isolator er et materiale som er elektrisk isolerende i det indre av materialet, mens kantene og overflaten fremviser robuste elektrisk ledende tilstander. Ordet «topologisk» betyr at disse overflatetilstandene ikke lett kan ødelegges, for eksempel av defekter ved overflaten.
topologisk isolator
Egenskaper
(a) Skisse av båndstrukturen til en topologisk isolator. Fermi-energien EF ligger typisk i båndgapet (mellom ledningsbåndet og valensbåndet) slik at materialet ikke leder elektrisk strøm. Langs kantene eksisterer det likevel strømførende tilstander som er fullstendig spinn-polariserte (gul og grønn linje). (b) De strømførende kanttilstandene transporterer en netto strøm av spinn langs kantene til den topologiske isolatoren. Det er ingen netto transport av ladning ved likevekt, siden det er like mange høyregående elektroner som venstregående elektroner.
Illustrasjon av (a) båndstruktur og (b) kanttilstander til en 2D topologisk isolator.
Av
Jacob Linder.
Lisens:
CC BY SA 3.0
Evnen et materiale har til å lede strøm, er bestemt av båndstrukturen til elektronene. Båndstrukturen beskriver hvilken energitilstand elektronene kan befinne seg i.
I en topologisk isolator er det indre av materialet beskrevet av en båndstruktur som har et energigap mellom lednings- og valensbåndet. Dette er samme situasjon som i halvledere og vanlige isolatorer. Ved overflaten til en topologisk isolator oppstår det derimot tillate energinivåer som gjør at elektronene kan lede strøm ved overflaten. Dette vises i figur (a).
I motsetning til andre materialer som kan ha elektrisk ledende kanter og overflater, så er de elektriske tilstandene som transporterer strøm beskyttet av topologi og symmetri i en topologisk isolator. I praksis betyr dette at de elektriske tilstandene som transporterer strømmen ikke blir ødelagte av urenheter eller defekter på kantene og overflatene så lenge de ikke bryter bestemte symmetrier. For eksempel vil de fleste topologiske isolatorer ha tidsinversjonssymmetri. Det betyr at overflatetilstandene ikke ødelegges så lenge urenheter og defekter ikke er magnetiske, da et magnetisk felt bryter tidsinversjonssymmetri.
I tillegg til å ha robuste kant- og overflate-tilstander som kan transportere elektrisk strøm, så er spinnet til disse tilstandene bestemt utfra retningen de beveger seg langs i flere typer topologiske isolatorer. Figur (b) viser en skisse av dette. Dette fenomenet kalles spinn-låsing og står igjen i kontrast til andre typer materialer som har overflate-tilstander.
Forekomst
En to-dimensjonal topologiske isolator ble eksperimentelt observert i et tynt lag satt sammen av kadmium tellur (CdTe) og kvikksølv tellur (HgTe) i 2007. Samme år ble det predikert at vismut-baserte materialer kunne danne tre-dimensjonale topologiske isolatorer, som dermed ikke ville være begrenset til tynne lag. Dette ble etter kort tid eksperimentelt observert i materialene vismut selen (Bi2Se3) og antimon tellur (Sb2Te3).
Les mer i Store norske leksikon
Eksterne lenker
- M. König, S. Wiedmann, C. Brüne, A. Roth, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, X.-L. Qi, S.-C. Zhang. Quantum Spin Hall insulator state in HgTe quantum wells. Science 318, 5851 (2007).
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.