Wissenschaftler erstellen atomare Skala, 2-D elektronisches Kagom-Gitter.

Wissenschaftler der University of Wollongong (UOW) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der chinesischen Beihang University, der Nankai University und des Institute of Physics der Chinese Academy of Sciences erfolgreich ein atomares, zweidimensionales elektronisches Kagom-Gitter mit potenziellen Anwendungen in der Elektronik und im Quantencomputer geschaffen.

Die Forschungsarbeit ist in der Novemberausgabe von Science Advances veröffentlicht.

Ein Kagomengitter ist nach einem traditionellen japanischen Bambusmuster benannt, das aus verschlungenen Dreiecken und Sechsecken besteht.

Das Forschungsteam schuf das Kagom-Gitter, indem es zwei Nanoblätter aus Silikaten schichtete und drehte. Silicen ist ein siliziumbasiertes, einatomiges, dickes Dirac-Fermionmaterial mit einer hexagonalen Wabenstruktur, über die Elektronen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit rasen können.

Wenn Silikate jedoch zu einem Kagomengitter verdreht werden, werden Elektronen „eingeschlossen“ und kreisen in den Sechsecken des Gitters herum.

Dr. Yi Du, der die Gruppe Scanning Tunneling Microscopy (STM) am UOW-Institut für supraleitende und elektronische Materialien (ISEM) und der Gemeinsamen Forschungsstelle Beihang-UOW leitet, ist der korrespondierende Autor der Arbeit.

Er sagte, dass Wissenschaftler seit langem daran interessiert sind, ein 2-D-Kagom-Gitter herzustellen, weil die nützlichen theoretischen elektronischen Eigenschaften einer solchen Struktur nützlich sind.

„Theoretiker haben vor langer Zeit vorhergesagt, dass, wenn man Elektronen in ein elektronisches Kagom-Gitter legt, zerstörerische Interferenzen die Elektronen bedeuten würden, anstatt durchzufließen, sich stattdessen in einem Wirbel umdrehen und im Gitter eingeschlossen werden würden. Es ist gleichbedeutend mit jemandem, der seinen Weg in einem Labyrinth verliert und nie wieder herauskommt“, sagte Dr. Du.

„Der interessante Punkt ist, dass die Elektronen nur dann frei sind, wenn das Gitter gebrochen ist, wenn man eine Kante erzeugt. Wenn sich eine Kante bildet, bewegen sich Elektronen ohne elektrischen Widerstand mit – sie hat einen sehr geringen Widerstand, so dass sehr niedrige Energie und Elektronen sich sehr schnell und mit Lichtgeschwindigkeit bewegen können. Dies ist von großer Bedeutung für die Konstruktion und Entwicklung von Geräten mit niedrigen Energiekosten.

„Inzwischen werden mit einem starken so genannten Spin-Orbital-Kopplungseffekt neuartige Quantenphänomene, wie der Reibungsquanten-Hall-Effekt, bei Raumtemperatur erwartet. Das wird in Zukunft einen Weg für Quantengeräte ebnen.“

Während die theoretischen Eigenschaften eines elektronischen Kagom-Gitters für Wissenschaftler von großem Interesse waren, hat sich die Herstellung eines solchen Materials als äußerst schwierig erwiesen.

„Damit es wie vorhergesagt funktioniert, muss man sicherstellen, dass das Gitter konstant ist und dass die Längen des Gitters mit den Wellenlängen des Elektrons vergleichbar sind, was viele Materialien ausschließt“, sagte Dr. Du.

„Es muss eine Art Material sein, auf dem sich das Elektron nur auf der Oberfläche bewegen kann. Und man muss etwas finden, das leitfähig ist und auch eine sehr starke Spin-Orbital-Kopplung hat.

„Es gibt nicht viele Elemente auf der Welt, die diese Eigenschaften haben.“

Ein Element, das dies tut, ist das Silicen. Dr. Du und seine Kollegen schufen ihr 2-D elektronisches Kagom-Gitter, indem sie zwei Schichten Silicen miteinander verdrehten. Bei einem Drehwinkel von 21,8 Grad bildeten sie ein Kagomengitter.

Und als die Forscher Elektronen hineinlegten, verhielt es sich wie vorhergesagt.

„Wir haben alle theoretisch vorhergesagten Quantenphänomene in unserem künstlichen Kagomengitter in Silicen beobachtet“, sagte Dr. Du.

Die erwarteten Vorteile dieses Durchbruchs werden viel energieeffizientere elektronische Geräte und schnellere, leistungsfähigere Computer sein.

Mehr Informationen:
Zhi Li et al. Realisierung eines Flachbandes mit möglicher nicht-trivialer Topologie im elektronischen Kagomengitter, Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aau4511

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