Kunstmatig grafeen voor supersnelle elektronica

Met behulp van nanotechnologie is het mogelijk om materialen te maken met structuureigenschappen die eerder ondenkbaar waren. Daniel Vanmaekelbergh maakte een honingraatstructuur van de conventionele halfgeleider cadmiumselenide. De theoretische groep van Cristiane Morais Smith liet samen met de Franse groep van Christophe Delerue vervolgens zien dat deze configuratie eigenschappen van grafeen combineert met die van zogeheten topologische isolatoren. Deze ontwikkeling kan een heel nieuw veld aan toepassingen openen.

Topologische isolator

Een topologische isolator is een materiaal dat elektrisch isolerend is aan de binnenkant, maar dat aan de randen wel elektriciteit geleidt. Bovendien gedragen de elektronen in de randen zich erg eigenaardig: elektronen met de elektronspin omhoog gaan in de ene richting, terwijl elektronen met de spin omlaag juist de andere kant op gaan. Beide zogeheten spinstromen ondervinden bovendien geen enkele weerstand. Op deze manier is de elektrische stroom netto nul, terwijl er wel een stroom loopt bestaande uit magnetische momentjes. Op dit moment wordt veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om dit type spinstromen te gebruiken voor magnetische data-opslag, bijvoorbeeld in harde schijven.

Grafeen

Grafeen is een enkele laag van koolstofatomen in een honingraatstructuur. In grafeen bewegen elektronen zich alsof ze geen massa bezitten, waardoor ze met de lichtsnelheid door het materiaal schieten. Grafeen is een veelbelovend materiaal voor nieuwe ultrasnelle elektronica. Maar van grafeen zijn geen transistors te maken, omdat het stroom altijd geleidt. Voor een transistor moet je een halfgeleider gebruiken, een materiaal waarin je de stroomgeleiding aan- en uit kunt schakelen.

Combinatie

De nu gemaakte combinatie van het schijnbaar massaloze gedrag van de elektronen in grafeen, met de spinspecifieke geleiding in topologische isolatoren, maakt een compleet nieuwe klasse van materialen mogelijk. Deze materialen kunnen bijvoorbeeld interessant zijn voor data-opslag, maar ook voor een nieuwe klasse van transistoren. Bovendien is het mogelijk om een gefractioneerd kwantum spin Hall effect te bereiken in de randen van de structuur, wat onmogelijk is in grafeen. Dit effect is een kandidaat om te worden gebruikt in kwantum computing.

Dirac Cones, Topological Edge States, and Nontrivial Flat Bands in Two-Dimensional Semiconductors with a Honeycomb Nanogeometry, E. Kalesaki, C. Delerue, C. Morais Smith, W. Beugeling, G. Allan, D. Vanmaekelbergh, Physical Review X, 4, 011010 (2014).