Warszawa, 21 lipca 2021

Materiały topologiczne a granice miniaturyzacji elektronicznej

Postępująca w zawrotnym tempie miniaturyzacja nanoukładów elektronicznych wymaga nowych rozwiązań także w zakresie ultra cienkich połączeń galwanicznych, np. z wykorzystaniem 10-20 nanometrowej szerokości ścieżek metalicznych z miedzi lub złota. Są one jednak zawsze źródłem ciepła Joule'a związanego z rozpraszaniem nośników ładunku i wydzielanego podczas przepływu prądu elektrycznego, co coraz silniej ogranicza możliwości pracy nanoukładów elektronicznych. Jakościowo nowym rozwiązaniem byłoby zastosowanie nowej klasy materiałów kwantowych - izolatorów topologicznych. Te materiały są bardzo aktywnie badane na całym świecie ze względu na ich unikatowe właściwości elektronowe związane z silnym efektem relatywistycznym - sprzężeniem ruchu orbitalnego elektronów i ich spinu - a także specyficznymi, topologicznymi cechami struktury elektronowej i przewodnictwem elektrycznym powierzchni lub krawędzi układu. Oczekuje się, że w jednowymiarowych układach topologicznych (np. stanach krawędziowych w topologicznych dwuwymiarowych układach elektronowych) możliwa jest bardzo silna redukcja procesów rozpraszanie elastycznego elektronów i w konsekwencji przepływ prądu prawie bez dyssypacji energii.

Rodzina materiałów topologicznych to obecnie zarówno izolatory topologiczne (w tym topologiczne izolatory krystaliczne doświadczalnie odkryte w roku 2012 przy wiodącym udziale naukowców z IF PAN [1]), jaki i topologiczne półmetale Diraca lub Weyla, czy tez topologiczne nadprzewodniki, określanych czasem wspólnym terminem materii topologicznej. W IF PAN od 4 lat funkcjonuje Centrum Badawcze MagTop Sprzężenia magnetyzmu i nadprzewodnictwa z materią topologiczną. Centrum jest finansowane przez Fundację Nauki Polskiej w ramach prestiżowego programu Międzynarodowych Agend Badawczych.

Odkrycie z roku 2012 [1] dotyczyło pierwszej doświadczalnej obserwacji stanów topologicznych na powierzchni półprzewodnikowych kryształów (Pb,Sn)Se dokonanej metodą kątowo-rozdzielonej spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES). Była to zasadnicza weryfikacja nowych idei teoretycznych, wskazujących na kluczową rolę symetrii krystalicznych w ochronie stanów topologicznych na powierzchni półprzewodników IV-VI: (Pb,Sn)Se, SnTe i (Pb,Sn)Te.

Stany topologiczne na powierzchni kryształów (Pb,Sn)Se zbadano także metodą skaningowej mikroskopii i spektroskopii tunelowej STM/STS - czułą na strukturę elektronową powierzchni i zapewniającą atomową rozdzielczość przestrzenną. Pokazano, w szczególności, że istniejące na powierzchni kryształów topologicznych defekty - stopnie krystaliczne - mogą w odpowiednich warunkach generować nowy rodzaj jednowymiarowych stanów topologicznych ulokowanych wzdłuż stopni atomowych o wysokości równej nieparzystej krotności grubości jednej monowarstwy topologicznego izolatora krystalicznego [2].

Odkrycie to rozpoczęło dyskusję czy takie swoiste jednowymiarowe przewodniki prądu mogą być fizyczną realizacją idei wykorzystania unikatowych właściwości krawędziowych stanów topologicznych do realizacji przepływu prądu w nanoukładach elektrycznych praktycznie bez dyssypacji energii? Przewodzący charakter zarówno objętości jak i powierzchni kryształów topologicznych (elektrycznie aktywne defekty krystaliczne) nie pozwala, jak dotychczas, na bezpośrednią obserwację wkładu kwantowego transportu ładunku z wykorzystaniem stanów elektronowych stopni atomowych. Pojawia się jednak szereg innych kluczowych pytań wymagających odpowiedzi, np. o granice maksymalnej gęstości upakowania takich kanałów przewodnictwa, tj. jak blisko siebie mogą być ulokowane stany topologiczne na stopniach atomowych, aby zachować swoje indywidualne, unikatowe właściwości elektronowe i spinowe?

Doświadczalnej odpowiedzi na to bardzo ważne pytanie udzielił niedawno niemiecko-polski zespół badaczy z Uniwersytetu w Würzburgu (grupa prof. M. Bode) i IF PAN (prof. T. Story i dr hab. A. Szczerbakow) w publikacji w prestiżowym czasopiśmie fizycznym Physical Review Letters [3]. Metodą mikroskopii i spektroskopii tunelowej STM/STS pokazano, że jednowymiarowe kanały elektronowe wzdłuż równoległych stopni atomowych pozostają niezależne od siebie tyko dla odległości większych niż 25 nanometrów. Natomiast dla mniejszych odległości pomiędzy stopniami obserwuje się efekt hybrydyzacji (przekrycia i uwspólnienia) sąsiadujących przestrzennie stanów elektronowych i powstawanie nowego układu kwantowego z innymi właściwościami. Oczekuje się, że w związku z powstaniem przerwy energetycznej w widmie stanów topologicznych takich stopni atomowych metaliczne przewodnictwo elektronowe stanów topologicznych może jakościowo zmienić charakter na półprzewodnikowy (aktywowany termicznie).

Kluczowe znaczenie dla sukcesu tego i poprzednich topologicznych projektów badawczych ma baza technologiczna Oddziału Fizyki Półprzewodników IF PAN, pozwalająca na wytwarzanie metodą opracowaną przez dr. hab. A. Szczerbakowa monokryształów (Pb,Sn)Se o wysokiej jakości krystalicznej. Prace technologiczne na tymi materiałami prowadzone w IF PAN wspierane są zarówno w ramach Centrum MagTop jak i termoelektrycznego projektu TERMOD finansowanego przez NCBiR w programie strategicznym TECHMATSTRATEG2. Do uzyskania koniecznych dla precyzyjnych pomiarów metodą STM/STS atomowo czystych i gładkich powierzchni krystalicznych wykorzystano prostą ale skuteczną metodę łupania bloków monokrystalicznych w warunkach ultrawysokiej próżni. Uzyskano zarówno atomowo gładkie tarasy o rozmiarach mikronowych jak i obszary z monoatomowymi stopniami krystalicznymi w różnych konfiguracjach (rys. 1).

PRACE NAUKOWE:

[1] "Topological crystalline insulator states in Pb_1-xSn_xSe",
      P. Dziawa, B.J. Kowalski, K. Dybko, R. Buczko, A. Szczerbakow, M. Szot, E. Łusakowska, T. Balasubramanian, B.M. Wojek, M.H. Berntsen, O. Tjernberg, T. Story,
      Nature Materials 11, 1023 (2012),
[2] "Robust spin-polarized midgap states at step edges of topological crystalline insulators",
      P. Sessi, D. Di Sante, A. Szczerbakow, F. Glott, S. Wilfert, H. Schmidt, T. Bhaton, P. Dziawa, M. Greitner, T. Neupert, G. Sangiovanni, T. Story, R. Thomale, M. Bode,
      Science 354, 1269 (2016),
[3] "Systematic Investigation of the Coupling between One-Dimensional Edge States of a Topological Crystalline Insulator",
      J. Jung, A. Odobesko, R. Boshuis, A. Szczerbakow, T. Story, M. Bode,
      Physical Review Letters 126, 236402 (2021).

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

     prof. dr hab. Tomasz Story

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk

       tel. +221162601

       email: story@ifpan.edu.pl

MATERIAŁY GRAFICZNE:

Rysunek: mgr Piotr Dziawa (IF PAN) Rys. 1. Szkic ilustrujący wyniki obrazowania mikroskopem tunelowym STM topografii powierzchni (001) monokryształu (Pb,Sn)Se z zawartością Sn 30 % at. przygotowanej metodą łupania w warunkach ultrawysokiej próżni. Rys 1a: dwa równoległe jednowymiarowe układy topologiczne ulokowane wzdłuż stopni atomowych o wysokości 0.3 nanometra (tj. jednej monowarstwy atomowej kryształu (Pb,Sn)Se) odległe o 25 nanometrów. Rys. 1b: szachownica topologiczna dwa jednowymiarowe układy elektronowe wzdłuż stopni atomowych przecinających się pod kątem prostym. Wskaźnik m ilustruje postulowaną teoretycznie zmianę o fazy funkcji falowej stanów topologicznych w obszarach sąsiednich pól. Oryginalne dane mikroskopowe patrz publikacja [3].