topologisk isolator

I modsætning til normale isolatorer har topologiske isolatorer elektriske ledende tilstande på deres overflade, mens de er elektrisk isolerende i deres indre. Dermed kan en elektrisk strøm løbe på overfladen, men ikke i det indre af materialet. Denne unikke elektroniske egenskab skyldes materialets specielle båndstruktur, som er et resultat af materialets globale atomare gitterstruktur, og ledningsevnen er derfor robust over for lokale defekter og andre urenheder i materialet. I den forstand er de elektroniske egenskaber topologiske.

Et kendetegn ved topologiske isolatorer er de robuste overfladetilstande. Disse overfladetilstande er elektrisk ledende, og de er typisk robuste over for defekter og anden uorden i materialet. Elektronerne i overfladetilstande udviser i nogle tilfælde en speciel kobling mellem deres spin og deres impuls, hvorved retningen af elektronens spin er direkte knyttet til dets impuls.

Kvante-Hall-effekten er et relateret fænomen, der kan observeres i to-dimensionelle materialer, der er påtrykt et kraftigt magnetfelt. På grund af magnetfeltet dannes elektriske ledende kvantetilstande langs siderne på materialet, mens det indre af materialet forbliver isolerende. I modsætning hertil er det ikke nødvendigt at påtrykke et magnetfelt, for at elektrisk ledende overfladetilstande bliver dannet i en topologisk isolator.

Derudover kan topologiske isolatorer udvise en variation af kvante-Hall-effekten kendt som kvante-spin-Hall-effekten, hvorved spin, snarere end ladning, transporteres langs materialets kanter.

Overfladetilstandene i topologiske isolatorer kan være beskyttet af symmetrier i systemet såsom en symmetri under tidsomvending. Sådanne symmetrier forhindrer tilbagespredning af elektroner, som ellers er en proces, der normalt ville føre til en endelig elektrisk modstand.

Topologiske isolatorer har stort potentiale i forhold til forskellige teknologiske anvendelser. Nogle af de potentielle anvendelsesområder er blandt andet, at:

• De unikke spin-egenskaber af elektroner i topologiske isolatorer kan benyttes til spin-baseret elektronik.
• De robuste overfladetilstande kan måske bruges som mere stabile kvantebits i en kvantecomputer.
• Såkaldet anyoniske eksitationer kan måske benyttes til topologiske kvanteberegninger.
• De effektive ledningsegenskaber i overfladetilstandene kan måske benyttes i fremtidige elektroniske komponenter.

På trods af de topologiske isolatorers bemærkelsesværdige egenskaber er der stadig store udfordringer med produktionen og integrationen af dem i stor skala. Det vil være afgørende at få overvundet disse udfordringer for at kunne gøre brug af topologiske isolatorer i fremtidige teknologier.

• kvantecomputer
• Hall-effekten
• isolator