De bijzondere eigenschappen die ‘topologische materialen’ hebben, spelen zich doorgaans af aan de oppervlakte. Van deze materialen, bijvoorbeeld isolatoren die aan het oppervlak tóch stroom geleiden, wordt veel verwacht. Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Universiteit van Amsterdam laten nu een nieuwe eigenschap zien: het niet-supergeleidende bismuth kan tóch weerstandsloos stroom geleiden. En die supergeleiding gebeurt niet alleen aan het oppervlak, maar ook binnenin het topologische materiaal. Dat maakt deze eigenschap robuuster en minder gevoelig. De onderzoekers publiceren erover op 1 oktober in Nature Materials. Een recensent van het paper, in dezelfde editie, noemt de bevindingen ‘truly desired and inspiring’.
De belangstelling voor topologische materialen is al jaren groot, zeker ook na de Nobelprijs voor Thouless, Haldane en Kosterlitz in 2016. Er zijn zelfs al nieuwe termen ontstaan zoals topotronica en spintronica. De materialen krijgen bijzondere eigenschappen door te ‘spelen’ met de volgorde van de energieniveaus: de topologie. Door die energieniveaus ‘om te draaien’ kan een materiaal dat normaliter geen stroom geleidt, aan het raakvlak tóch een geleider worden. Daarbij gaat het niet alleen over de beweging van de elektronen, maar ook om hun ‘spin’ – dit heeft te maken met de draairichting waarin de elektronen tollen.
Het nieuwe onderzoek laat nu een duidelijk verband zien tussen de bewegingsrichting en de spin. Dankzij die eigenschap kan een niet-supergeleidend materiaal tóch een stroom geleiden waarin Majorana quasideeltjes een belangrijke rol spelen. En dat niet alleen aan het oppervlak: de topologische eigenschap is nu ook in het binnenste van het materiaal aangetoond. Dat maakt het effect robuuster en minder gevoelig voor bijvoorbeeld storing of vervuiling.
Semimetaal
Het hiervoor gebruikte modelmateriaal, bismuth waaraan een klein beetje antimoon is toegevoegd, heeft al eerder verrassende eigenschappen laten zien en is een soort modelmateriaal geworden voor elektronische eigenschappen. Omdat er in bismuth maar heel weinig elektronen beschikbaar zijn voor de stroomgeleiding, is nauwelijks sprake van een metaal en wordt het ook wel een ‘semimetaal’ genoemd. Maar de elektronen gedragen zich er wél alsof de deeltjes met de lichtsnelheid bewegen.
Meer dan 2D-materialen
Voor nieuwe typen elektronica, ook bijvoorbeeld gebaseerd op grafeen, wordt vaak uitgegaan van 2D materialen als de nieuwe stap. De nu ontdekte eigenschap maakt dat die beperking er niet hoeft te zijn: een ‘topologische kwantumcomputer’ kan ook werken in 3D.
Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Quantum Transport in Materie, die deel uitmaakt van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT, in samenwerking met onderzoekers van het Van der Waals – Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam.
Het past binnen het UT-onderzoeksthema Shaping our world with smart materials.
