ENGINEERINGNET.BE - Topologische isolatoren bezitten unieke eigenschappen: aan de binnenkant zijn ze isolerend, maar aan hun randen geleidend. Hierdoor kan er stroom lopen zonder energieverlies.
De eigenschappen van deze materialen kwamen eerst alleen naar voren in de aanwezigheid van sterke magnetische velden en bij temperaturen van rond -270 graden Celsius.
In 2017 ontdekten onderzoekers echter dat een 2D laag van bismut, slechts één atoom dik, de gewenste eigenschappen vertoonde bij kamertemperatuur en zonder magneetveld.
Met ruim 20 miljoen euro subsidie van de Nederlandse overheid, ging in 2022 het QuMAT consortium aan de slag met theoretische fysici van de Nederlandse UUtrecht en experimentele wetenschappers van de Chinese Shanghai Jiao Tong University.
Zij hebben nu laten zien dat er misschien talloze staten zonder energieverlies bestaan ergens tussen één en twee dimensies, bijvoorbeeld bij 1,58 dimensies. Zulke niet-gehele dimensies komen voor in fractale structuren, zoals de longen en het brein.
Fractals zijn zelf-gelijke structuren die op een andere manier schalen dan normale objecten: bij inzoomen herhaalt hetzelfde patroon zich steeds opnieuw.
Door een chemisch element (bismut) op een halfgeleider (indiumantimonide) te laten groeien, creëerden de Chinese wetenschappers spontaan gevormde fractale structuren door de groeiomstandigheden te variëren.
De Utrechtse wetenschappers lieten theoretisch zien dat deze structuren nuldimensionale hoeken en eendimensionale randen hebben, waarbij geen energie verloren gaat in de vorm van warmte.
Cristiane Morais Smith van UUtrecht: "De fractals gedragen zich als topologische isolatoren bij eindige energieën en vertonen tegelijk, bij zero-energie, een toestand aan hun hoeken die kan worden gebruikt als een qubit, de bouwstenen van kwantumcomputers. De ontdekking opent dus nieuwe perspectieven voor de langverwachte qubits.”
De experimentele groep in China gaat proberen een supergeleider op de fractale structuur te laten groeien in een vervolgonderzoek. Deze fractals hebben veel gaten en er lopen stromen elektronen om veel van deze gaten heen, waarbij geen energie verloren gaat.
Deze structuren zouden kunnen worden gebruikt voor energie-efficiënte informatieverwerking. Ze vertonen ook zero-energy modes aan hun hoeken, wat volgens Morais Smith betekent dat ze het beste van de één- en tweedimensionale werelden combineren.
“Als dit werkt, kan het nog onverwachtere geheimen blootleggen die verborgen liggen in dimensie 1,58”, zegt ze. “De topologische kenmerken van fractals tonen echt de rijkdom van het betreden van onbekende dimensies.”
De foto’s bovenaan zijn gemaakt met een scanning tunneling microscoop.
Links: bismutfractal (geel) gevormd bovenop indium antimonide (bruin). De individuele atomen zijn hier zichtbaar.
Rechts: de lokale dichtheid van elektronen in een fractal.
