Topologische toestellen voor de toekomst: de weg naar betere stroom

In 2016 werd de Nobelprijs voor Natuurkunde toegekend voor een theorie van exotische materiaaltoestanden. Een voorbeeld van zo’n toestand is een topologische isolator: een materiaal waarin de deeltjes die stroom geleiden – elektronen – speciale eigenschappen hebben. Daardoor hebben deze nieuwe materialen een heleboel interessante potentiële toepassingen. Maar voor we die kunnen gebruiken moeten we het gedrag van die elektronen nog onderzoeken. Wat maakt hen zo speciaal en hoe kunnen we ze beter begrijpen?

Stromende deeltjes

Elektriciteit zoals wij die kennen en gebruiken is het gevolg van bewegende deeltjes die we elektronen noemen. Anders gezegd: stromende elektronen wekken stroom op. Als er in een materiaal veel elektronen in dezelfde richting kunnen bewegen, krijg je een grotere stroom. Op die manier kan men een indeling maken in verschillende materialen. Materialen waarin elektronen op dezelfde plaats blijven en dus niet goed kunnen stromen noemen we isolatoren. Zulke materialen, zoals bijvoorbeeld glas, zijn niet goed geleidend. Aan de andere kant van het spectrum hebben we metalen zoals koper: elektronen kunnen zich hierin goed verplaatsen en dus kunnen metalen goed stroom geleiden.

Topowatte?

Er bestaan dus isolatoren en metalen. Maar wat zijn dan topologische isolatoren? Zoals de naam doet vermoeden, lijken ze erg op gewone isolatoren: ze laten geen stroom door, of toch niet voor het grootste deel van het materiaal. Aan de binnenkant gedragen de elektronen zich net zoals in een gewone isolator. Ze draaien rond op dezelfde plaats en kunnen zich dus niet verplaatsen. Het verschil zit hem in wat er gebeurt op de rand van het materiaal. De elektronen daar kunnen namelijk wél bewegen en dus stroom geleiden. Een topologische isolator is dus tegelijk een isolator én een metaal!

Op het eerste gezicht lijkt zo’n topologisch isolator niet meteen erg handig: je kan wel stroom opwekken, maar veel minder dan in een gewoon metaal. Waarom zou je dan geïnteresseerd zijn in die exotische materialen? Wel, het blijkt zo te zijn dat de elektronenstromen in topologische isolatoren veel robuuster zijn dan die in gewone metalen. Alle materialen hebben kleine imperfecties: soms zijn het deeltjes van andere materialen, dan weer een scheurtje of gewoon een plek waar er geen materiaal zit. Op al die plaatsen kunnen de elektronen binnenin vast komen te zitten of terugkaatsen naar waar ze vandaan kwamen. Die verandering zorgt ervoor dat er de elektronenstroom netto kleiner wordt: je kan minder elektriciteit opwekken. In topologische isolatoren ligt dat anders. De randelektronen blijken minder last te hebben van die imperfecties: vaak gaan ze na het ontmoeten ervan gewoon verder op hun pad. Dat is natuurlijk interessant, want zo kan je met minder werk meer stroom opwekken.

De rand de baas maken

De elektronen op de rand zijn dus heel nuttig. Alleen is er één probleem: heel vaak zijn de elektronen aan de binnenkant belangrijker dan die aan de rand. En de elektronen aan de binnenkant zijn niet immuun voor de imperfecties. Het is dus belangrijk om te begrijpen waarom de elektronen aan de binnenkant dominanter zijn en hoe we dat kunnen omkeren. Het lijkt erop dat de imperfecties van het materiaal en hun invloed op de elektronen een grote rol spelen in dit proces. Daarom werd er in deze scriptie (Low-temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy of magnetic Co and Cr dopants at the surface of the topological insulator Bi2Te3) gekeken naar de defecten van bismuttelluride, een voorbeeld van een topologische isolator. We vonden dat er verschillende soorten defecten zijn. De meest belangrijke daarvan zijn plaatsjes waar telluur zou moeten zitten, maar waar je ofwel stukjes bismut ofwel niets kan terugvinden. We begrijpen nu dat de effecten van die defecten verschillend en tegengesteld aan elkaar zijn. Dat betekent dat als je kan controleren hoeveel er van elke soort zijn, je de elektronen aan de rand dominanter kan maken dan die aan de binnenkant. Goed nieuws dus!

En als we dat nu eens magnetisch maken?

Tot nu toe ging het steeds over de beweging van de elektronen. Maar eigenlijk is het niet zo simpel: in topologische isolatoren is de beweging van een elektron erg sterk gekoppeld aan een eigenschap van dat elektron die we spin noemen. Die spin is een best ingewikkeld kwantummechanisch idee, maar hier is het voldoende om te weten dat je spin kan veranderen met magnetisme. Omdat de spin en de beweging van het elektron met elkaar verbonden zijn, kan je je dus afvragen: kan je met magnetisme ook de beweging van de elektronenstroom beïnvloeden? Dat was een tweede deel van de scriptie: kleine stukjes van de magnetische materialen kobalt en chroom werden op de rand van een stuk bismuttelluride gelegd en daarna werd gekeken of de elektronen aan de rand anders bewogen dan voorheen. Dat bleek inderdaad het geval te zijn: door de stukjes kobalt en chroom ontstonden er magnetische imperfecties en die konden de beweging van de randelektronen wél veranderen.

Op deze manier gedragen de randelektronen van de topologische isolator zich opnieuw zoals elektronen in gewone metalen. Het voordeel van topologische isolatoren ten opzichte van gewone metalen lijkt zo verloren te gaan. Toch is het nuttig om de invloed van magnetisme op de randelektronen verder te bestuderen. Er bestaan namelijk voorspellingen dat je nieuwe natuurkundige fenomenen kunt waarnemen als je topologische isolatoren op de juiste manier combineert met magnetisme. Die fenomenen zouden op hun beurt dan weer verrassende en interessante kennis kunnen voortbrengen, die we misschien kunnen gebruiken in toekomstige toestellen zoals kwantumcomputers.

De toekomst is topologisch

Men kan dus stellen dat topologische isolatoren materialen voor de toekomst zijn. Ten eerste bieden ze een manier om de stroom in onze elektronica efficiënter op te wekken via randelektronen. Omdat de elektronbeweging en spin zo sterk samenhangen, zijn ze ook erg geschikt voor spintronica, waar men stroom opwekt via de spin in plaats van de beweging van elektronen. Bovendien voorspelt men dat ze inzetbaar zullen zijn in nieuwe technologieën zoals kwantumcomputers. Kortom: er is nog veel onderzoek nodig, maar dat is het zeker waard!