Открыт материал, наиболее близкий к идеальному топологическому изолятору

Ученые из Федеральной Политехнической школы Лозанны (EPFL) открыли первого представителя нового класса топологических изоляторов, что может способствовать дальнейшему прогрессу в низковольтной электронике, спинтронике и квантовых компьютерах.

Работа проводилась в рамках программы NCCR Marvel, об её итогах сообщается в журнале Nature Materials. Перспективные кандидаты из базы ранее описанных материалов определялись путём компьютерных симуляций в Швейцарском Национальном Суперкомпьютерном Центре, после чего передавались для экспериментальной проверки того, соответствуют ли их свойства теоретическим прогнозам. Таким образом, коллективом, возглавляемым Олегом Язьевым из Института теоретической физики EPFL, была обнаружена «кристаллическая фаза» йодида висмута — материал, отличный по атомной структуре и свойствам от ранее известных топологических изоляторов.

Главное преимущество йодида висмута по сравнению с прочими ТИ состоит в том, что его структура более упорядочена и содержит меньше естественных дефектов. Именно отсутствие неоднородностей позволяет этому материалу сохранять изолирующие свойства в своём объёме.

«Нам требуется, чтобы ток проходил по поверхности, но не внутри, — рассказал Олег Язьев. — В теории это выглядит просто, но на практике всегда присутствуют дефекты. Поэтому необходимо найти новый материал, где их количество минимально. Исследование показывает, что даже эти ранние образцы йодида висмута имеют высокую чистоту и низкую концентрацию структурных несовершенств».

Основные подтверждения этому были получены в Национальной Лаборатории Лоуренса Беркли экспериментальным методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Он позволяет учёным непосредственно «наблюдать» электронные состояния на поверхности материала и определять их топологическую природу.