Forskare som studerar ett lovande kvantmaterial har stött på en överraskning: inom dess kristallstruktur bildar materialet naturligt en av världens tunnaste halvledarövergångar – en byggsten i modern elektronik. Övergången är bara 3,3 nanometer tjock, cirka 25 000 gånger tunnare än ett papper.
”Det var en stor överraskning”, säger biträdande professor Shuolong Yang. ”Vi försökte inte skapa denna övergång, men materialet bildade en på egen hand, och det är en av de tunnaste vi någonsin sett.”
Upptäckten öppnar upp för möjligheten att bygga ultraminiatyriserade elektroniska komponenter och ger också insikt i hur elektroner beter sig i material som är utformade för kvanttillämpningar.
Artikeln, med titeln ”Spectroscopic evidence of intra-unit-cell charge redistribution in a charge-neutral magnetic topological insulator” (Spektroskopiska bevis på omfördelning av laddning inom enhetsceller i en laddningsneutral magnetisk topologisk isolator), är publicerad i tidskriften Nanoscale.
Ojämna elektroner
Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) och Pennsylvania State University studerade de elektroniska egenskaperna hos MnBi₆Te₁₀, en typ av topologisk substans som är känd för sina ovanliga egenskaper – som att låta elektricitet flöda fritt längs kanterna utan något motstånd. Forskarna hoppas att denna klass av topologiska material en dag kan användas i kvantdatorer eller ultraeffektiva elektroniska enheter.
Men för att fungera korrekt måste material som MnBi₆Te₁₀ ha noggrant balanserade och fördelade elektroner. Teamet trodde att de hade uppnått rätt balans genom att justera materialets kemiska sammansättning och tillsätta antimon i MnBi₆Te₁₀. Vanliga elektriska tester bekräftade att materialet i stort sett var neutralt.
Därefter tittade Yangs team närmare med hjälp av en teknik som kallas tids- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (trARPES), som använder ultrasnabba laserpulser för att observera hur elektroner fördelas och hur deras energinivåer förändras i realtid. Forskarna såg något oväntat. Inom varje repetitivt skikt av kristallen – som bara var några atomer tjockt – var elektronerna inte jämnt fördelade. Istället klumpade de ihop sig i vissa delar och lämnade andra delar med färre elektroner. Detta skapade små inbyggda elektriska fält i materialet.
Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering, däribland biträdande professor Shuolong Yang (till vänster) och doktorand Khanh Duy Nguyen, har upptäckt en av världens tunnaste halvledarövergångar som bildas naturligt i ett lovande kvantmaterial. Bild: John Zich
”I ett idealiskt kvantmaterial vill man ha en riktigt jämn fördelning av laddningar”, säger Khanh Duy Nguyen, doktorand vid UChicago PME och försteförfattare till den nya studien. ”Den ojämna fördelningen tyder på att vi kanske inte kan använda kvantteknik på det sätt som ursprungligen planerades, men den avslöjar också ett annat riktigt användbart fenomen.”
Dessa små områden fungerade som p-n-övergångar, en typ av halvledarövergång som innehåller interna elektriska fält och används för att bygga dioder – liknande dem som finns i vardaglig elektronik som telefoner och datorer. Men till skillnad från tillverkade p-n-övergångar bildas dessa naturligt som en del av själva kristallen.
En välsignelse för kvant- och elektroniska tillämpningar
Eftersom den nya, naturligt bildade p-n-övergången också är mycket ljuskänslig kan den vara användbar för nästa generations elektronik, inklusive spintronik – en typ av teknik som lagrar och manipulerar data med hjälp av elektroners magnetiska spinn istället för deras laddning.
Genom att modellera vad som hände inom kristallstrukturen i MnBi₆Te₁₀ kunde Nguyen, Yang och deras kollegor bilda en hypotes om hur den bildade p-n-övergångarna. De misstänker att införandet av antimon i MnBi₆Te₁₀ leder till ett utbyte mellan manganatomer och antimon, vilket orsakar laddningsskillnader i hela materialet.
Även om upptäckten komplicerar arbetet med att använda materialet för vissa typer av kvanteffekter, öppnar den upp för nya tillämpningar inom elektronik. Den banar också väg för vidare utveckling av MnBi₆Te₁₀ så att det bibehåller jämnt fördelade elektroner – och kan vara användbart inom kvantteknik.
UChicago PME-teamet finjusterar metoder för att tillverka tunna filmer av materialet – istället för stora, tredimensionella kristaller. Detta skulle kunna göra det möjligt att kontrollera elektronernas beteende mer precist, antingen för att förstärka kvantegenskaperna eller för att öka utbytet av små p-n-övergångar.
”Detta visar än en gång värdet av att bedriva grundläggande, fundamental forskning och vara öppen om vart den leder”, säger Yang. ”Vi satte upp ett mål och fann en överraskning som ledde oss i en annan, riktigt spännande riktning.”
Mer information: Khanh Duy Nguyen et al, Spectroscopic evidence of intra-unit-cell charge redistribution in a charge-neutral magnetic topological insulator, Nanoscale (2025). DOI: 10.1039/D4NR04812A
