在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校工作的国际研究团队制作了一种原子级薄的材料，并测量了其异乎寻常的耐用性能，使其成为一个有前途的电子产品分支的候选者。 “自旋电子学。”

这种材料 - 被称为1T'-WTe 2 - 弥合了两个蓬勃发展的研究领域：所谓的二维材料，包括单层材料，如石墨烯，其行为方式与厚层形式不同; 和拓扑材料，其中电子可以以可预测的方式拉链，几乎没有阻力，无论通常会阻碍它们运动的缺陷。

在这种材料的边缘，电子自旋 - 一种粒子特性，有点像指南针指向北方或南方 - 并且它们的动量是紧密相连和可预测的。

这一最新的实验证据可以提升该材料作为下一代应用的测试主题的用途，例如新型电子设备操纵其自旋特性以比现今设备更有效地携带和存储数据。这些特性是自旋电子学的基础。

该材料被称为拓扑绝缘体，因为其内表面不导电，并且其电导率(电子流)限于其边缘。

“这种材料应该对自旋电子学研究非常有用，”伯克利实验室先进光源(ALS)的物理学家和科学家科学家Sung-Kwan Mo说，他是该研究的共同领导者，发表 在Nature Physics上。

伯克利实验室的高级光源Beamline 10.0.1使研究人员能够创建和研究原子级薄材料。图片来源：Roy Kaltschmidt / Berkeley Lab

“电子的流动与它们的旋转方向完全相关，并且仅限于材料的边缘，”莫说。“电子将在一个方向上行进，并且采用一种旋转方式，这对于自旋电子设备来说是一种有用的质量。”这种设备可以更加流畅地传输数据，与现今的电子设备相比，功率需求和热量积累更少。设备。

“我们很高兴我们找到了另一个材料系列，我们既可以探索二维拓扑绝缘体的物理特性，也可以进行可能导致未来应用的实验，”物理学教授沉志勋说。斯坦福大学的科学学院和SLAC国家加速器实验室的科学和技术顾问，他们也共同领导了这项研究工作。“这种一般材料已知具有很强的稳定性，可以在各种实验条件下保持良好状态，这些特性应该可以使该领域更快地发展，”他补充道。

该材料是在ALS(一种称为同步加速器的X射线研究设施)上制造和研究的。唐淑杰是伯克利实验室和斯坦福大学的访问博士后研究员，也是该研究的共同主要作者，他帮助在ALS的高度纯化的真空密封隔室中生长3原子厚度的材料结晶样品。 ，使用称为分子束外延的过程。

然后使用称为ARPES(或角度分辨光电子能谱)的技术在ALS处研究高纯度样品，其提供了材料电子性质的强有力探针。

“在我们改进了生长配方后，我们用ARPES测量了它。我们立即认识到二维拓扑绝缘体的特征电子结构，“唐说，基于理论和预测。“我们是第一批对这种材料进行这种测量的人。”

但是因为这种材料的导电部分，在其最外边缘，只测量了几纳米薄 - 比X射线光束的焦点薄几千倍 - 很难确定所有材料的电子特性。

因此，加州大学伯克利分校的合作者使用称为STM的技术或扫描隧道显微镜在原子尺度上进行了额外的测量。“STM直接测量了它的边缘状态，因此这是一个非常重要的贡献，”唐说。

这项研究工作始于2015年，涉及多个学科的二十多名研究人员。该研究团队还受益于伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算工作。

二维材料具有独特的电子特性，被认为是调整它们用于自旋电子学应用的关键，并且全球研发工作非常活跃，专注于通过选择性地堆叠不同类型来针对特定用途定制这些材料。

“研究人员正试图将它们夹在彼此之上，以便按照自己的意愿调整材料 - 比如乐高积木，”莫说。“现在我们已经对这种材料的属性进行了实验证明，我们希望将其与其他材料叠加起来，看看这些属性是如何变化的。”

从原子级薄层制造这种设计材料的典型问题是材料通常具有纳米级缺陷，这些缺陷难以消除并且可能影响其性能。但由于1T'-WTe2是拓扑绝缘体，其电子特性本质上是有弹性的。

“在纳米级，它可能不是一个完美的晶体，”莫说，“但拓扑材料的美妙之处在于，即使你的晶体不完美，边缘状态仍然存在。瑕疵并没有破坏关键属性。“

展望未来，研究人员的目标是开发更大的材料样本，并发现如何有选择地调整和强调特定属性。除了其拓扑性质之外，其具有相似特性并且也由研究团队研究的“姐妹材料”已知具有光敏性并且具有用于太阳能电池和用于电子设备的光电子学的有用特性。 。