Natuurkundigen van de universiteiten van Jyväskylä en Aalto in Finland hebben een tweedimensionale topologische kristallijne isolator gecreëerd — een materiaal waar wetenschappers al meer dan tien jaar van dromen. Ze lieten een atomair dunne film van twee lagen tinelluride (SnTe) groeien op een substraat van niobiumdiselenide (NbSe₂). Dit is de eerste experimentele realisatie van de voorspelde structuur, en ze opent de weg naar kwantumapparaten die bij kamertemperatuur werken.
De sleutel tot het succes is de spanning die ontstaat doordat het substraat de film samendrukt. Juist die stabiliseert de topologische toestand. In het materiaal ontstaan paren van geleidende randtoestanden die door de symmetrie van het kristalrooster worden beschermd. Elektronen bewegen zich verliesvrij langs de randen, terwijl binnenin een grote verboden zone met een breedte van meer dan 0,2 elektronvolt aanwezig is.
De onderzoekers gebruikten moleculairebundelepitaxie en lage-temperatuur-scanningtunnelmicroscopie om deze toestanden met atomaire precisie zichtbaar te maken. Kwantummechanische berekeningen bevestigden hun topologische oorsprong. Bovendien kunnen de randtoestanden worden afgestemd door de vervorming te veranderen — dat biedt een praktische manier om de elektronische eigenschappen te beheersen.
De grote breedte van de verboden zone geeft hoop dat de topologische eigenschappen zelfs bij kamertemperatuur behouden blijven. Het materiaal kan een platform worden voor spintronica en nanoapparaten van de toekomst, waarin kwantumeffecten werken zonder cryogene koeling.
Aangrenzende randtoestanden interacteren via elektrostatische krachten en kwantumtunneling, wat ook kon worden bestudeerd. Het team onder leiding van universitair docent Kezilbejek Shavulienu publiceerde de resultaten, in samenwerking met de professoren Peter Liljeroth en Jose Lado, in Nature Communications.
Nu hebben de natuurkundigen een echt monster dat kan worden vervormd en afgestemd — een stap naar kwantumelektronica die ooit in onze gadgets terecht zal komen.
