Arus Elektron tidak biasa Pergi

Pada pencarian untuk menemukan negara baru materi, sebuah tim ilmuwan Princeton University telah menemukan bahwa elektron pada permukaan material khusus bertindak seperti pahlawan super mini, tanpa henti menghindari rintangan tebing-seperti dari microsurfaces tidak sempurna, kadang-kadang bergerak lurus melalui hambatan.

Pekerjaan Princeton merupakan pertama kali perilaku seperti elektron telah dilacak dan direkam, dan mengisyaratkan kemungkinan mempercepat sirkuit terpadu yang memproses informasi oleh aliran elektron antara perangkat yang berbeda. Bahan baru berpotensi memecahkan hambatan yang terjadi ketika logam interkoneksi begitu kecil yang bahkan ketidaksempurnaan atom terkecil menghalangi kinerja mereka.

Fisika profesor Ali Yazdani dan timnya mengamati perilaku fisika luar biasa dalam keadaan permukaan "topologi" pada irisan mikroskopis dari logam antimon. Karya ini dilaporkan dalam edisi 15 Juli Alam.

Biasanya, aliran elektron dalam bahan terhambat oleh ketidaksempurnaan - tepi tampaknya sedikit dan perpecahan bertindak seperti tebing dan ceruk-es di dunia ini mikroskopis, elektron dalam menghalangi jalan mereka. teori terkini, Namun, memprediksi bahwa elektron pada permukaan beberapa senyawa yang mengandung unsur-unsur seperti antimon dapat kebal terhadap gangguan seperti dalam aliran mereka. Konektivitas aliran mereka, Yazdani kata, berasal dari bentuk khusus dari gelombang elektron yang tampaknya mengubah pola aliran di sekitar ketidaksempurnaan apapun.

Banyak dari "topologi" material, seperti antimon, telah penting dalam perekonomian dunia, namun, konduksi permukaan yang tidak biasa mereka sebelumnya tidak diteliti. Bagian dari tantangan itu menjadi kesulitan dalam mengukur aliran elektron hanya pada permukaan, sebuah tugas yang dilakukan oleh kelompok Princeton menggunakan teknik mikroskop khusus yang memungkinkan visualisasi yang tepat dari elektron pada permukaan material.

"Bahan ketidaksempurnaan tidak dapat perangkap permukaan elektron ini," kata Yazdani, yang merintis eksplorasi dari perilaku elektron pada bahan yang tidak biasa dalam bukunya Hall laboratorium Jadwin secara konsisten menghasilkan wawasan baru. "Demonstrasi ini menunjukkan bahwa konduksi permukaan dalam senyawa ini mungkin berguna untuk transmisi tinggi saat ini bahkan dalam adanya penyimpangan skala atom - sebuah fitur elektronik berusaha efisien interkoneksi perangkat berskala nano."

Sebuah elektron adalah partikel subatomik yang membawa muatan listrik negatif. Ini mengorbit inti atom dan terikat dengan kekuatan elektromagnetik. Elektron dapat hop antara atom-atom dalam jumlah terbatas bahan, seperti kristal, dan bergerak bebas di pedalaman atau di permukaan.

Elektron bebas ini bertanggung jawab untuk generasi arus listrik, memainkan peran sentral dalam berbagai aplikasi yang berhubungan dengan industri, sains dan kedokteran, termasuk memberikan arus untuk perangkat elektronik modern. Untuk sebagian besar logam, elektron dalam interior membawa sebagian besar arus listrik, dengan elektron di permukaan menjadi hanya lemah mobile.

Pada suhu tertentu, material memiliki konduktivitas terukur yang menentukan intensitas arus listrik. Logam seperti tembaga dan emas adalah konduktor yang baik, sehingga memungkinkan untuk cepat aliran elektron. Material seperti kaca dan Teflon, dengan struktur yang menghambat aliran elektron, adalah konduktor miskin. Atom logam memiliki struktur elektron memungkinkan mereka untuk berperilaku seolah-olah mereka bebas, atau tidak terikat pada atom.

Karya oleh tim Princeton adalah bagian dari penyelidikan yang sedang berlangsung menjadi bahan yang disebut isolator topologi - zat yang berfungsi sebagai insulator di pedalaman mereka sementara memungkinkan gerakan beban pada batas mereka. Dalam sebuah fenomena yang dikenal sebagai efek kuantum Hall, perilaku ini terjadi ketika ada medan magnet tegak lurus diterapkan untuk materi. Dan, dalam pekerjaan yang dilakukan oleh beberapa peneliti internasional - termasuk kelompok yang dipimpin oleh profesor fisika Princeton Wahid Hasan - tipe baru dari insulator topologi telah ditemukan di mana perilaku ini terjadi bahkan ketika tidak ada medan magnet hadir.

Kristal untuk pekerjaan yang ditanam di laboratorium Robert Cava, Russell Wellman Moore Profesor Kimia di Princeton.

Kristal antimon yang digunakan dalam percobaan dipimpin oleh Yazdani merupakan logam tetapi saham karakteristik permukaan dengan elektron yang tidak biasa senyawa isolasi terkait.

Karena elektron dapat bergerak bebas pada permukaan bahan percobaan tanpa bentuk permukaan itu, materi memiliki keadaan permukaan "topologi," kata Yazdani. Topologi merupakan daerah utama matematika yang bersangkutan dengan sifat spasial yang dipertahankan meskipun deformasi, seperti peregangan, objek. Dalam kaitan itu, donat dan secangkir kopi dapat dipandang sebagai topologi yang sama karena mereka berdua sedang dasarnya daerah dengan lubang di tengah.

Dengan alat laboratorium, tim mampu mengukur berapa lama elektron yang tinggal di sebuah wilayah material dan berapa banyak dari mereka mengalir melalui ke daerah lain. Hasil penelitian menunjukkan efisiensi yang mengejutkan di mana elektron permukaan antimon melalui hambatan yang biasanya berhenti elektron permukaan lainnya pada permukaan material yang melakukan sebagian besar, seperti tembaga.

Penulis di atas kertas antara lain: Yazdani; postdoctoral fellows Jungpil Seo dan Haim Beidenkopf; Pedram Roushan mahasiswa pascasarjana, dan, bersama dengan Cava, mantan postdoctoral sesama San Hor Yew, yang kini di Universitas Missouri Sains dan Teknologi.

Yazdani tim bekerja di Princeton dirancang khusus Nanoscale Laboratorium Mikroskop, dimana pengukuran sangat akurat pada skala atom yang mungkin karena suara dan getaran, melalui berbagai teknologi, dijaga agar tetap minimum. Mereka menggunakan mikroskop scanning tunneling kuat untuk melihat elektron pada permukaan sampel antimon.

Dalam mikroskop, gambar dihasilkan dengan menunjuk sebuah berkas elektron terfokus halus, seperti dalam satu set TV, di sampel yang diteliti. Para peneliti memindai lembut ujung-atom logam tunggal microcope tajam tepat di atas permukaan material yang sedang dipelajari. Dengan pemantauan kuantum "terowongan" elektron mengalir dari jarum ke dalam sampel, instrumen tersebut dapat menghasilkan gambar yang tepat dari atom, serta aliran gelombang elektron.

Penelitian, Cava berkata, "menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa kekebalan prediksi teoritis dari negara topologi permukaan mati di tangan cacat yang selalu ada dalam pengaturan atom pada permukaan kristal adalah benar."

Penelitian terutama didanai oleh National Science Foundation melalui dukungan badan Pusat Princeton untuk Bahan Kompleks. Selain itu, US Army Research Office, Office of Naval Research, Departemen Energi AS dan WM Keck Foundation memberikan kontribusi melalui dukungan dari instrumentasi dan prasarana di Princeton Nanoscale Mikroskop Laboratorium.