Новий квантовий матеріал, розроблений в Університеті Райса, поєднує унікальні властивості, зумовлені симетрією, з надпровідністю. Команда фізиків з Університету Райса під керівництвом Мін І та Емілії Моросан створила новаторський матеріал, який може живити електроніку наступного покоління. Цей матеріал пропонує рідкісне поєднання унікальних електронних властивостей, що може призвести до створення пристроїв, які є одночасно потужнішими та набагато енергоефективнішими.
Цей матеріал, який називають металом вузлової лінії Крамерса, був створений шляхом додавання невеликої кількості індія до шаруватої структури, що складається з танталу та сірки. Ця незначна корекція зміщує внутрішню симетрію кристала та відкриває дивовижні нові можливості руху електронів. Опубліковане 29 травня в журналі Nature Communications , дослідження знаменує собою важливий крок до електроніки, яка втрачає набагато менше енергії під час роботи, та екологічно чистих технологій.
«Наша робота забезпечує чіткий шлях для відкриття та розробки нових квантових матеріалів з бажаними властивостями для майбутньої електроніки», – сказав Йі, доцент кафедри фізики та астрономії.
Створення нового матеріалу
Дослідники виявили, що коли вони додавали крихітну кількість індію до дисульфіду танталу (TaS₂), основна кристалічна симетрія матеріалу змінювалася, що призводило до унікально захищеного візерунка, де електрони зі спіном вгору та спіном вниз рухаються різними шляхами в імпульсному просторі, подібно до автомобілів, що рухаються в протилежних напрямках на шосе. Це відбувається доти, доки два шляхи не злилися на вузловій лінії Крамерса.
Цей новий матеріал також продемонстрував здатність переносити електрику без втрат енергії, демонструючи надпровідні властивості. Ця подвійна характеристика може дозволити розробку топологічних надпровідників, які можуть покращити енергетичні системи та обчислювальні технології.
«Розробка матеріалу, який би відповідав суворим умовам симетрії, необхідним для цих особливих властивостей, була складною, але результати виявилися винагороджуючими», — сказав Моросан, професор фізики та астрономії, електротехніки та обчислювальної техніки, хімії та директор Центру квантових матеріалів Райса.
Команда експериментувала з різними складами, щоб спостерігати оптимальні властивості. Використовуючи передові інструменти, такі як фотоемісійна спектроскопія зі спін-роздільною здатністю та кутовим розрізненням та електричний транспорт у прикладених магнітних полях, вони досліджували крихітні частинки всередині матеріалу. Цей метод дозволив їм виміряти енергію, рух та спін електронів – частинок, відповідальних за перенесення електрики.
«Наші експерименти показують, що ми можемо точно налаштувати властивості матеріалу, щоб підкреслити його топологічні особливості, що життєво важливо для майбутніх застосувань», — сказав Ічен Чжан, докторант Райс-Університету та співавтор першого дослідження.
Результати
Щоб забезпечити достовірність своїх висновків, вони поєднали експериментальні спостереження зі складними теоретичними розрахунками, заснованими на перших принципах. Теоретичні передбачення узгодилися з експериментальними даними, що забезпечило глибше розуміння електронної топології матеріалу.
Розкриваючи та налаштовуючи властивості металу вузлової лінії Крамерса, команда І та Моросана не лише розширює розуміння квантових матеріалів, але й прокладає шлях для трансформаційних низькоенергетичних електронних технологій, сказав Джунічіро Коно, директор Інституту Смоллі-Керла та співавтор дослідження.
«Ця новаторська робота є прикладом духу інновацій, який визначає Інститут Смоллі-Керла», — сказав Коно. «Вона просуває нашу місію щодо сприяння міждисциплінарній співпраці в багатьох галузях, об’єднуючи фізику, матеріалознавство та інженерію для дослідження нових квантових моделей поведінки матерії».
Дослідники кажуть, що це відкриття — лише початок, і вони прагнуть продовжити дослідження цих нових матеріалів, щоб виявити ще більш дивовижні властивості, які можуть призвести до проривів у технологіях та науці.
«Ще багато чого потрібно дослідити, і ми раді майбутнім можливостям, які пропонує цей новий матеріал», — сказав Юйсян Гао, докторант Райс-Університету та співавтор першого дослідження.
