Благодаря своим уникальным электрическим свойствам топологические изоляторы обещают множество инноваций в электронной и компьютерной промышленности, а также в разработке квантовых компьютеров. Тонкий поверхностный слой может проводить электричество почти без сопротивления, что приводит к меньшему нагреву, чем традиционные материалы. Это делает их особенно интересными для электронных компонентов.
Кроме того, в топологических изоляторах электронное трение – i.е. электронно-опосредованное преобразование электрической энергии в тепло – можно уменьшить и контролировать.
Исследователи из Базельского университета, Швейцарского института нанонаук (SNI) и Стамбульского технического университета теперь смогли экспериментально проверить и продемонстрировать, как именно происходит переход от энергии к теплу через трение – процесс, известный как диссипация.
Измерение трения с помощью маятника
Команда под руководством профессора Эрнста Мейера с факультета физики Базельского университета исследовала эффекты трения на поверхности топологического изолятора из теллурида висмута.
Ученые использовали атомно-силовой микроскоп в маятниковом режиме. Здесь проводящий наконечник микроскопа из золота колеблется взад и вперед прямо над двумерной поверхностью топологического изолятора. Когда на наконечник микроскопа подается напряжение, движение маятника вызывает небольшой электрический ток на поверхности.
В обычных материалах часть этой электрической энергии преобразуется в тепло за счет трения. Результат на проводящей поверхности топологического изолятора выглядит совсем иначе: потери энергии на преобразование в тепло значительно сокращаются.
«Наши измерения ясно показывают, что при определенных напряжениях практически не происходит тепловыделения, вызванного электронным трением», – поясняет д-р. Дилек Йылдыз, выполнивший эту работу в рамках школы SNI PhD.
Новый механизм
Исследователи также смогли впервые наблюдать новый квантово-механический механизм диссипации, который возникает только при определенных напряжениях.
В этих условиях электроны мигрируют из острия через промежуточное состояние в материал – аналогично туннельному эффекту в сканирующих туннельных микроскопах. Регулируя напряжение, ученые смогли повлиять на рассеивание. «Эти измерения подтверждают большой потенциал топологических изоляторов, поскольку электронное трение можно целенаправленно контролировать», – добавляет Мейер.