Nuova struttura per l'autostrada degli elettroni
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Gli isolanti topologici potrebbero costituire la base per componenti elettronici rivoluzionari. Tuttavia, poiché generalmente funzionano solo a temperature molto basse, la loro applicazione pratica è stata finora fortemente limitata. I ricercatori dell'Università di Würzburg hanno ora sviluppato un isolante topologico che funziona anche a temperature più elevate.
Un isolante topologico può essere immaginato come un materiale che è un perfetto isolante all'interno, dove non conduce elettricità. Ai suoi bordi, tuttavia, si comporta come una "autostrada di elettroni" quasi priva di perdite. Gli elettroni possono muoversi lungo questi percorsi senza quasi alcuna perdita.
Per approfondire l'analogia: queste autostrade hanno corsie separate per gli elettroni con diversi "spin", una sorta di momento angolare intrinseco. Gli elettroni con "spin-up" si muovono in una direzione, quelli con "spin-down" in quella opposta. Questa rigida regolamentazione del traffico impedisce le collisioni e quindi le perdite di energia. Il fenomeno alla base è noto come Effetto di Spin Hall Quantistico (QSHE), un effetto che è stato dimostrato sperimentalmente per la prima volta all'Università di Würzburg.
Una struttura a pozzo quantico con tre strati
Il vantaggio principale di questa proprietà risiede nella possibilità di un trasporto di elettroni senza perdite e con una polarizzazione di spin, che potrebbe costituire la base per futuri componenti elettronici rivoluzionari. Sebbene questo effetto abbia un enorme potenziale, la sua applicazione pratica ha affrontato finora notevoli sfide, soprattutto perché gli isolanti topologici di solito mostrano le loro ambite proprietà solo a temperature estremamente basse - appena al di sopra dello zero assoluto, che è circa meno 273 gradi Celsius.
Un gruppo di ricerca dell'Università di Würzburg, in collaborazione con scienziati dell'Università di Montpellier e dell'École Normale Supérieure di Parigi, ha ora sviluppato un isolante topologico che mostra l'effetto desiderato anche a temperature significativamente più alte: circa meno 213 gradi Celsius, come hanno dimostrato gli esperimenti. Il team guidato dal professor Sven Höfling, titolare della cattedra di Fisica tecnica, è responsabile di questo risultato; Fabian Hartmann e Manuel Meyer sono i primi autori.
"Abbiamo sviluppato e testato un nuovo sistema di materiali per i nostri esperimenti: una speciale struttura a pozzo quantico composta da tre strati", spiega Sven Höfling. L'arseniuro di indio (InAs) forma i due strati esterni della struttura a tre strati. GaInSb, una lega di gallio (Ga), indio (In) e antimonio (Sb), costituisce lo strato intermedio. Secondo i fisici, questa struttura a tre strati appositamente sviluppata offre vantaggi decisivi rispetto agli approcci precedenti.
Un candidato promettente per le applicazioni tecnologiche
"Il problema dei materiali utilizzati finora è spesso che la loro energia di band-gap è troppo bassa", spiega Fabian Hartmann. Il band gap può essere considerato una sorta di "barriera energetica" che gli elettroni devono superare per rendere conduttivo l'interno del materiale. Un band gap più ampio significa quindi una barriera più robusta che impedisce all'interno di diventare conduttivo anche a temperature più elevate e di interrompere i canali di bordo senza perdite. In effetti, l'uso di una lega GaInSb aumenta l'energia del band-gap del materiale. Allo stesso tempo, l'aggiunta di un terzo strato di InAs crea una struttura simmetrica che migliora significativamente le dimensioni e la robustezza dell'energia di band-gap.
"Il nostro sistema è un candidato promettente per le applicazioni tecnologiche perché combina tre vantaggi chiave", spiega Manuel Meyer. In primo luogo, può essere prodotto in grandi quantità e su larga scala. In secondo luogo, i risultati sono affidabili e ripetibili. In terzo luogo, il materiale è compatibile con l'attuale tecnologia dei chip di silicio.
In sintesi, i fisici ritengono che questi risultati aprano la strada allo sviluppo dell'elettronica topologica. Questa potrebbe funzionare anche a temperature meno estreme ed essere perfettamente integrata nella tecnologia dei semiconduttori, aprendo la strada a una nuova generazione di dispositivi potenti ed efficienti dal punto di vista energetico.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Manuel Meyer, Jonas Baumbach, Sergey Krishtopenko, Adriana Wolf, Monika Emmerling, Sebastian Schmid, Martin Kamp, Benoit Jouault, Jean-Baptiste Rodriguez, Eric Tournie, Tobias Müller, Ronny Thomale, Gerald Bastard, Frederic Teppe, Fabian Hartmann, Sven Höfling; "Quantum spin Hall effect in III-V semiconductors at elevated temperatures: Advancing topological electronics"; Science Advances, Volume 11
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