Электрон-фононные взаимодействия в линейных и нелинейных электронных краевых состояниях, демонстрирующие влияние на перенос энергии в этих краевых состояниях. Кредит: Nanoscale (2024). DOI: 10.1039/D4NR02172J
Топологические изоляторы вселяют захватывающую надежду на реализацию переноса энергии без потерь, что справедливо при сверхнизких температурах. Однако топологические изоляторы не в состоянии поддерживать эту «магию» без потерь при комнатной температуре.
Исследователи из Университета Монаша, входящего в состав Центра FLEET, получили новые знания об эффективности топологических изоляторов, выявив существенное несоответствие между их магическим переносом энергии без потерь при сверхнизких температурах и пагубными проблемами, возникающими при комнатной температуре.
Исследование, опубликованное в журнале Nanoscale, изучает, почему топологические изоляторы сталкиваются с серьезными проблемами при сохранении своих характеристик в практической рабочей среде, в частности, из-за роли электрон-фононных взаимодействий.
Топологические изоляторы, особенно двумерные (2D) топологические изоляторы, хорошо известны своей уникальной особенностью проводить электричество через границу/край, в то время как основная поверхность остается электроизолирующей.
Эта уникальная особенность обеспечивает односторонний перенос носителей без обратного рассеяния, в результате чего возникает пренебрежимо малое электрическое сопротивление, вызванное рассеянием, что дает основания ожидать бездиссипативного переноса носителей.
Действительно, при сверхнизких температурах эти топологические изоляторы часто демонстрируют бездиссипативную транспортировку носителей, что соответствует ожиданиям. Однако поддержание этой характеристики сталкивается с серьезной проблемой, когда температура повышается до комнатной, где фононы (кванты колебаний решетки) вступают в игру с носителями.
Роль электрон-фононных взаимодействий
Это исследование дает тщательный анализ взаимодействия между носителем и фононом, а также переноса энергии в 2D топологическом изоляторе при различных температурах.
Взаимодействие между электроном и фононом (т. е. электрон-фононное взаимодействие) играет решающую роль в значительном увеличении наблюдаемого электрического сопротивления.
Теоретическое моделирование показало, что электрон-фононное рассеяние является существенным источником обратного рассеяния в топологических краевых состояниях, причем сила взаимодействия тесно связана с дисперсией электронных краевых состояний.
Взаимодействия значительно увеличиваются с температурой и намного сильнее в нелинейно-дисперсных краевых состояниях собственных краев по сравнению с линейно-дисперсными краевыми состояниями пассивированных краев, что приводит к значительному рассеянию энергии в диапазоне температур 200–400 К.
Таким образом, данное исследование выявляет расхождение между производительностью при сверхнизкой температуре и при практической рабочей комнатной температуре.
«Поскольку в этом исследовании мы рассматривали как линейные, так и нелинейные краевые дисперсии, наши результаты могут быть применимы к широкому спектру топологических изоляторов», — сказал Энамул Хак, ведущий автор исследования.
Улучшение фундаментального понимания роли электронно-фононного рассеяния на краях 2D-топологических изоляторов считается жизненно важным для развития технологии будущей электроники на основе 2D-топологических изоляторов. Однако предыдущая работа была в основном сосредоточена на поверхностных состояниях 3D-топологических изоляторов и изолирующих поверхностях 2D-топологических изоляторов.
«Наши результаты могут сыграть решающую роль в продвижении применения топологических изоляторов в практических электронных устройствах», — говорит Хак.
Понимание этого исследования может направлять поиск новых квантовых материалов или способов преодоления существующих ограничений. Преодолевая эти проблемы при комнатной температуре, ученые могут продвинуться в реализации полного потенциала применения топологических изоляторов в практических технологиях, например, квантовых транзисторах и квантовых устройствах.
«Четкое понимание электрон-фононных взаимодействий в топологических краевых состояниях может помочь развить сильную квантовую декогеренцию в кубитах, что потенциально повысит стабильность и масштабируемость квантовых компьютеров», — сказал профессор Нихил Медхекар, ведущий исследователь и главный исследователь FLEET.
Дополнительная информация: Энамул Хак и др., Электрон-фононные взаимодействия в топологических краевых состояниях в однослойном бислое Bi(111), Наномасштаб (2024). DOI: 10.1039/D4NR02172J
Информация о журнале: Наномасштаб
Предоставлено FLEET
