Trong khi các thiết bị điện tử thông thường dựa vào sự vận chuyển của các electron, các thành phần chỉ truyền tải thông tin spin có thể tiết kiệm năng lượng hơn nhiều lần. Các nhà vật lý tại Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) và Viện Max Planck về Nghiên cứu Trạng thái rắn ở Stuttgart hiện đã đạt được một bước tiến quan trọng trong việc phát triển các vật liệu mới cho các thành phần như vậy. Những vật liệu này cũng có thể là chìa khóa để máy tính lượng tử ít bị nhiễu hơn.
Hy vọng tăng cao khi những đại diện đầu tiên của một loại vật liệu mới — chất cách điện tôpô — được phát hiện cách đây khoảng 15 năm. Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng cấu trúc điện tử độc đáo của những vật liệu này sẽ làm phát sinh các tính chất đặc biệt trên bề mặt của chúng, chẳng hạn như truyền thông tin tiết kiệm năng lượng, có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các thành phần điện tử mới trong một loạt các ứng dụng.
Nhưng cho đến nay, những khả năng này không thể dễ dàng sửa đổi và kiểm soát trong các ứng dụng. Bất chấp những nỗ lực lớn nhất, việc khai thác công nghệ còn lâu mới đến. Điều này có thể sắp thay đổi nhờ phát hiện của một nhóm đứng đầu là Christian Pfleiderer, giáo sư về Topo của các hệ thống tương quan tại Đại học Kỹ thuật Munich.
Tìm kiếm các giao lộ
Trong nguyên tử, các electron chiếm giữ các obitan nguyên tử khác nhau với năng lượng cực đại. Mỗi quỹ đạo tương ứng với một mức năng lượng cố định. Trong chất rắn, các obitan nguyên tử trùng nhau, và mức năng lượng phụ thuộc vào hướng chuyển động và bước sóng của các electron. Các mức năng lượng cho các hướng chuyển động và bước sóng khác nhau thay đổi trong một dải đặc trưng được gọi là dải năng lượng.
Trong khi mức năng lượng của các obitan trong nguyên tử tăng lên theo một thứ tự cụ thể, thì trong chất rắn, thứ tự của các mức năng lượng, xuất phát từ các obitan nguyên tử khác nhau, cũng có thể đảo ngược tùy thuộc vào hướng chuyển động và bước sóng của các electron.
Định hướng của các mức năng lượng ban đầu được liên kết với các quỹ đạo khác nhau do đó có thể giao nhau theo các hướng chuyển động và bước sóng nhất định. Nói cách khác, năng lượng của các obitan khác nhau là giống hệt nhau tại nơi chúng giao nhau. Mối quan tâm đặc biệt là các vật liệu trong đó những giao cắt này xuất hiện ở mức của các điện tử chịu trách nhiệm dẫn điện. Các nhà vật lý gọi mức này là năng lượng Fermi.
Sự phát hiện ra các vật liệu tôpô
Sự giao nhau giữa các dải năng lượng của vật liệu thực đã được biết đến từ những năm 1930. Tuy nhiên, ngoại trừ một số trường hợp rất hiếm, chúng triệt tiêu bởi lực đẩy lẫn nhau của các electron. Hiệu ứng này dẫn đến khoảng trống trong các dải năng lượng chính xác tại các điểm giao cắt dự kiến. Vì tất cả các ví dụ đã biết về sự giao nhau trong cấu trúc dải xảy ra cách xa năng lượng Fermi, chúng chỉ được coi là một sự tò mò tầm thường.
Tất cả điều này đã thay đổi khi phát hiện ra chất cách điện tôpô trong đó cấu trúc điện tử của bề mặt vật liệu tạo ra sự giao nhau chính xác với năng lượng Fermi. Các quan sát sâu hơn cho thấy rằng những giao cắt này đặc biệt ổn định vì đặc tính độc đáo của hàm sóng cơ lượng tử của electron, ngăn cản sự hủy bỏ thông qua lực đẩy electron.
Truyền thông tin mà không mất năng lượng
Thực tế là sự giao nhau của các bề mặt cách điện tôpô luôn ở mức Fermi dẫn đến các tính chất đặc biệt của tính dẫn điện, cho phép chuyển các điện tích và thông tin spin mà không bị mất năng lượng. Tuy nhiên, sớm rõ ràng rằng chất cách điện tôpô rất nhạy cảm với các tạp chất vật liệu, điều này có hiệu quả làm ngắn mạch các đặc tính bề mặt và ngăn cản việc triển khai công nghệ hữu ích.
Tuy nhiên, việc phát hiện ra chất cách điện tôpô đã kích hoạt một cuộc tìm kiếm chuyên sâu và có hệ thống, cuối cùng đã phát hiện ra nhiều vật liệu dạng khối có giao cắt tôpô giữa các dải năng lượng bên trong vật liệu. Ví dụ bao gồm kim loại Weyl, kim loại Dirac và chất cách điện Chern, trong số nhiều loại khác. Các nhà khoa học kỳ vọng rằng các vết cắt bên trong các vật liệu này sẽ dẫn đến các đặc tính đặc biệt trên bề mặt có thể phù hợp với việc khai thác công nghệ.
Thật không may, các nhà nghiên cứu đã không thể dự đoán liệu các giao cắt topo trong bất kỳ vật liệu nào đã biết có chính xác ở mức Fermi hay không. Điều này là do các giao cắt được biết đến cho đến nay chỉ xảy ra ở các điểm rời rạc hoặc dọc theo các đường cụ thể, có nghĩa là chúng trùng với mức Fermi chỉ một cách tình cờ.
Nhưng điểm cuối cùng là tối quan trọng để khai thác kỹ thuật. Hơn nữa, để có thể bật và tắt các điểm giao nhau bằng các phương tiện đơn giản trong các ứng dụng dường như hoàn toàn ngoài tầm với.
Có thể chuyển đổi bằng từ trường
Các nhà khoa học do Tiến sĩ Marc Wilde đứng đầu trong nhóm của Giáo sư Pfleiderer hiện đã chứng minh rằng có những vật liệu có mặt phẳng mà các dải luôn chuyển động theo cặp. Chúng được gọi là mặt phẳng nút và làm cho việc bản địa hóa các giao cắt ở cấp độ Fermi trở nên dễ dàng. Chúng luôn ở chính xác nơi mà các cạnh vùng dẫn truyền qua một mặt phẳng như vậy. Một trong những ví dụ đầu tiên là đơn tinh thể mangan-silic.
Cùng với Tiến sĩ Andreas Schnyder tại Viện Max Planck về Nghiên cứu Trạng thái rắn ở Stuttgart, nhóm nghiên cứu đã làm sáng tỏ thành công cơ sở lý thuyết cho hành vi này.
Andreas Schnyder cho biết: “Điều kiện tiên quyết cần thiết là sự hiện diện của cái gọi là đối xứng ‘không đồng hình’. Trong silic mangan, đây là một sự thay đổi trong sự sắp xếp của các nguyên tử”. “Nhưng đó không phải là tất cả,” Marc Wilde nói, “Chúng tôi cũng có thể chứng minh rằng từ hóa trong các loại vật liệu này có thể hủy bỏ các đối xứng quan trọng và như vậy, các mặt phẳng nút. Hướng từ hóa thực sự giống như một chiếc kéo. chúng ta có thể sử dụng để cắt qua dải Mobius.”
Dựa trên cái nhìn sâu sắc này, Andreas Schnyder và các đồng nghiệp của ông ở Stuttgart đã tiến hành phân tích toàn diện tất cả các lớp cấu trúc tinh thể đã biết để xác định những cấu trúc có cùng tính chất. Đây hiện là cơ sở cho các tìm kiếm có mục tiêu trong tương lai đối với các tài liệu có thể so sánh được.
Thuộc tính khác thường, lợi ích đáng kể
Christian Pfleiderer cho biết: “Sử dụng silicon mangan làm ví dụ cùng với các nguyên tắc lý thuyết được phát triển gần đây, giờ đây chúng tôi có thể lựa chọn và tối ưu hóa vật liệu với nỗ lực phối hợp. “Những vật liệu mới này có thể không chỉ cho phép các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng hơn nhiều, mà còn cho các ứng dụng hoàn toàn mới, trong đó chúng tôi sử dụng từ trường bên ngoài để kiểm soát các tác động của từ hóa trên các mặt phẳng nút.”
“Theo cách này,” Pfleiderer hy vọng, “những vật liệu này thậm chí có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc tính toán lượng tử tôpô trong tương lai. Do đặc điểm của các điểm giao nhau, các QBits tương ứng sẽ ít nhạy cảm hơn với nhiễu.” Máy tính lượng tử được xây dựng trên cơ sở này thậm chí có thể loại bỏ yêu cầu hoạt động ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature .
