کنترل هدایت الکتریکی در عایق‌های توپولوژیکی

محققان دانشگاه UCLA موفق شدند هدایت الکتریکی را در نانوروبان‌های عایق توپولوژیکی از جنس تلورید بیسموت تحت کنترل درآورند. برای این کار آنها از میدان الکتریکی خارجی استفاده کردند. این یافته پژوهشگران را قادر می‌سازد تا ادوات اسپینترونیکی و نانوالکترونیک نسل جدید و کم مصرف تولید کنند.

محققان دانشگاه UCLA موفق شدند هدایت
الکتریکی را در نانوروبان‌های عایق توپولوژیکی از جنس تلورید بیسموت تحت
کنترل درآورند. برای این کار آنها از میدان الکتریکی خارجی استفاده کردند.
این یافته پژوهشگران را قادر می‌سازد تا ادوات اسپینترونیکی و
نانوالکترونیک نسل جدید و کم مصرف تولید کنند.

در سال‌های اخیر، عایق‌های توپولوژیکی به‌عنوان موضوع داغی در دنیای فیزیک
تبدیل شده است. این مواد هم عایق بوده و هم رسانای الکتریسیته هستند.
توپولوژی سطحی این مواد موجب می‌شود الکترون‌های دارای اسپین پلاریزه از
آنها عبور کند اما پدیده پراش، که عامل اصلی هدر رفتن انرژی است، اتفاق
نیافتد. به‌دلیل چنین ویژگی، این مواد دارای پتانسیل کاربردی زیادی در
ترانزیستورها، حافظه‌ها و حسگرهای مغناطیسی هستند.

در مقاله‌ای که در نشریه Nature
Nanotechnology به چاپ رسیده است، پژوهشگران دانشگاه UCLA نشان دادند که در
نانوروبان‌های عایق توپولوژیکی از جنس تلورید بیسموت، کانال‌های هدایت سطحی
وجود دارد که حالت‌های سطح در آن قابل تنظیم است، یعنی می‌توان با تغییر
محل سطح انرژی فرمی، هدایت را در آن افزایش یا کاهش داد. کانگ وانگ، استاد
دانشگاه و از محققان این پروژه، می‌گوید این یافته ما را قادر می‌سازد تا
ادوات اسپینترونیکی و نانوالکترونیک نسل جدید و کم مصرف، مانند حسگرهای
مغناطیسی و حافظه‌ها، بسازیم. تلورید بیسموت یک ماده ترموالکتریک است که
پیش‌بینی می‌شود تبدیل به یک عایق توپولوژیکی سه بعدی با حالت‌های سطحی
منحصربه‌فرد شود. نتایج تحقیقات اخیر نشان داده است که این ماده به‌صورت
توده‌ای دارای کانال‌های هدایت دو بعدی است که از حالت‌های سطحی نشات
می‌گیرد. اما از آنجایی که ناخالصی‌هایی در این ماده وجود داشته و همچنین
به دلیل وجود برانگیختگی‌های گرمایی، دشواری‌هایی در اصلاح هدایت سطحی این
ماده وجود دارد.

وانگ و همکارانش از نانوروبان‌های تلورید بیسموت به‌عنوان کانال‌های هدایت
در ساختار ترانزیستورهای اثر میدان استفاده کردند. در این سیستم از میدان
الکتریکی برای کنترل سطح انرژی فرمی و افزایش رسانایی کانال استفاده شد.
محققان برای اولین بار ثابت کردند که می‌توان حالت‌های سطحی را در
نانوساختارهای عایق توپولوژیکی کنترل کرد.

فاکسیان زیو می‌گوید ما نشان دادیم که می‌توان با استفاده از یک میدان
الکتریکی، هدایت الکتریکی را کنترل کرد به‌طوری که اعمال ولتاژی مناسب منجر
به افزایش هدایت تا ۵۱ درصد می شود. این رقم بیشترین مقداری است که تاکنون
برای عایق‌های توپولوژیکی ثبت شده است.

نتایج این پروژه مسیر کنترل حالت‌های اسپین سطحی را در نانوروبان‌های عایق
توپولوژیکی هموارتر می‌کند. قدم بعد این تیم تحقیقاتی ساخت دستگاهی بسیار
سریع مبتنی بر این یافته‌ها است. آنها قصد دارند ترانزیستورهایی بسازند کم
مصرف‌تر از ترانزیستورهای ساخته شده با فناوری CMOS که امروزه در ادوات
الکترونیکی استفاده می‌شود.