Praktijk zet wondermateriaal op zijn plaats

Het is al aangekondigd als het nieuwe ‘wondermateriaal’, vergelijkbaar met grafeen. Een dikke tien jaar werken wetenschappers inmiddels met topologische isolatoren, allen willen ze tot nu toe maar niet voldoen aan de verwachtingen die op basis van theoretische modellen bestaan. Natuurkundigen van de RUG denken nu te weten waarom het wondermateriaal in de praktijk tegenvalt. Hun analyse is op 27 juli gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B.

Bij topologische isolatoren vindt geleiding alleen aan het oppervlak plaats, de rest van het materiaal is een isolator. Die geleiding loopt via een speciale toestand aan het oppervlak, waar de elektronen in de kristalstructuur van het materiaal een bijzonder patroon vormen. Dit patroon ontstaat uit bepaalde fysische eigenschappen die analoog zijn aan het begrip ‘topologie’ uit de wiskunde. Het patroon creëert robuuste toestanden die voor een aantal bijzondere eigenschappen zorgen.

Een zo’n eigenschap is dat de spin van de elektronen (een magnetische eigenschap die de waarden ‘op’ en ‘neer’ kan hebben) gekoppeld is aan hun beweging. ‘Dit betekent dat elektronen die naar rechts gaan de waarde spin-neer hebben en als ze naar links gaan spin-op’, legt Eric de Vries uit. Hij is promoveert onder leiding van prof. dr. Tamalika Banerjee bij haar onderzoeksgroep Spintronica van Functionele Materialen binnen het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG en is eerste auteur van het artikel. ‘Maar het betekent ook dat wanneer je elektronen met spin-op in een topologische isolator injecteert, ze naar links zullen gaan!’ Op die manier kunnen topologische isolatoren een belangrijke rol spelen in zogeheten spintronica, elektronica die is gebaseerd op transport van de spinwaarde van elektronen, in plaats van de lading.

Verrassend

Dit soort speciale eigenschappen van topologische isolatoren is voorspeld door theoretische modellen van de oppervlaktestructuur van deze materialen, die bestaan uit kristallen van zware atomen. Maar experimenten lieten wisselende resultaten zien die het niet echt haalden bij de theoretische voorspellingen. ‘We vroegen ons af waarom dit zo was, dus bedachten we experimenten om het gedrag van elektronen in de patronen aan het oppervlak te bestuderen. Daarbij keken we vooral of het transport inderdaad alleen via het oppervlak loopt.’

Eerdere experimenten van de groep leverden al een verrassend resultaat op. Hierbij gebruikten zij ferromagneten om de spinwaarde te meten van elektronen in een topologische isolator. De resultaten zijn later door het tijdschrift Nature Physics in een nieuwsbericht gebruikt. De Vries: ‘We hebben laten zien dat de stroom die er loopt niet alleen ontstaat door de koppeling van de beweging en spin van de elektronen. Door verschillende typen metingen te doen kwamen wij erachter dat de magnetische velden die de ferromagneet veroorzaakt een vergelijkbaar stroom kan produceren.’ Door deze observatie moeten al gepubliceerde resultaten van veel groepen mogelijk worden herzien.

In de nieuwste experimenten is weer een andere aanpak gebruikt. ‘We hebben topologische isolatoren geanalyseerd met behulp van sterke magneetvelden. Die veroorzaken trillingen van elektronen in transportkanaaltjes.’ De Vries moest hiervoor naar het High Field Magnet Laboratory, een nationale onderzoeksfaciliteit aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Hier kon hij een magneet van 33 Tesla gebruiken, wereldwijd een van de sterkere. ‘Anderen hebben vergelijkbare analyses gemaakt met behulp van zwakkere magneten, maar die zijn niet gevoelig genoeg om bepaalde kanalen voor ladingstransport in dit materiaal te detecteren.’ Het resultaat van de analyse laat zien dat een aanzienlijk deel van de geleiding niet plaatsvindt via het oppervlak, maar door het inwendige van de isolator.

Transportkanaal

Imperfecties in de kristalstructuur van de topologische isolator zijn de oorzaak, legt De Vries uit: ‘Soms ontbreekt er een atoom in het kristalrooster waardoor er ineens vrije, ongebonden elektronen overblijven. Die kunnen een nieuw transportkanaal voor elektronen vormen waardoor er een elektrische stroom door het binnenste gaat lopen.’

Maar waarom heeft niemand dit eerder opgemerkt? De Vries benadrukt dat het interpreteren van metingen van de geleiding in topologische isolatoren lastig kan zijn. ‘Dat merkten we al bij onze vorige experimenten. Onze boodschap is dan ook dat je uiterst voorzichtig moet zijn bij het interpreteren van experimenten met dit materiaal.’ En verder was er voor het bereiken van meer eenduidige conclusies een extreem hoog magnetisch veld nodig in een gespecialiseerd lab. Niet iedereen heeft daar toegang toe.

De nieuwe resultaten laten zien hoe topologische isolatoren zijn te verbeteren. ‘Dat kan door kristallen te laten groeien zonder ontbrekende atomen. Een andere oplossing is het opvullen van de ‘gaten’ in het kristalrooster, bijvoorbeeld met calciumionen die zich aan de vrije elektronen binden. Alleen kan dat weer andere verstoringen in de geleiding veroorzaken.’ Al ruim tien jaar lang zijn topologische isolatoren een hot topic, ze werden al vergeleken met dat andere wondermateriaal, grafeen. De ontdekking dat de topologische isolatoren in de praktijk niet zo volmaakt is, zet dit wondermateriaal op zijn plaats. De Vries: ‘We moeten via meer onderzoek een beter begrip krijgen van de wisselwerking tussen de speciale patronen aan het oppervlak en de rest van het materiaal.’

Referentie: E. K. de Vries1, S. Pezzini2, M. J. Meijer2, N. Koirala3, M. Salehi3, J. Moon3, S. Oh3, S. Wiedmann2, and T. Banerjee1: Coexistence of bulk and surface states probed by Shubnikov-de Haas oscillations in Bi2Se3 with high charge carrier density. Physical Review B 96, 2017. DOI: 10.1103/PhysRevB.96.045433

1 University of Groningen, Zernike Institute for Advanced Materials, 9747 AG Groningen, The Netherlands
2 High Field Magnet Laboratory, Radboud University, Nijmegen, The Netherlands
3 Department of Physics & Astronomy, Rutgers, The State University of New Jersey, Piscataway, New Jersey 08854, U.S.A.