Description du projet
Un pas de plus vers le premier dispositif pratique d’isolation topologique en 3D
Les isolants topologiques sont des états exotiques de la matière. Ils se comportent comme des isolants à l’intérieur mais présentent des états conducteurs en surface, ce qui en fait la seule partie de ces matériaux permettant le déplacement des électrons. Le transport des électrons dans les isolants topologiques 3D est dominé par le vrac, ce qui limite leur potentiel d’utilisation dans les dispositifs et applications spintroniques modernes. Le projet MATTER, financé par l’UE, permettra de contourner cette barrière en adoptant une approche de conception des nanoparticules qui repose sur le frittage à un stade précoce. Ces travaux expérimentaux seront complétés par une caractérisation spectroscopique des propriétés des nanoparticules ainsi que par des études théoriques sur la modélisation du transport. Ce projet entend être le premier à démontrer la possibilité d’utilisation de dispositifs de transport quantique macroscopiques pratiques qui reposent sur les propriétés électroniques des états de surface.
Objectif
Ever since the discovery of topological surface states in three-dimensional (3D) topological insulators (TI), this fascinating physics has thrilled scientists. While arguable the transport properties of 3D TIs are of utmost importance for potential applications, they are extremely difficult to characterize, yet utilize for devices. The reason is that transport in those materials is always dominated by bulk carriers. Within this proposed research project, I will overcome the problem of bulk carrier domination conceptually by a nanoparticle-based materials’ design of interrupted early stage sintering. By this interrupted early stage sintering approach, I compact 3D TI nanoparticles at mild temperature and low pressure. The obtained highly porous macroscopic sample features a carrier density of the surface states in the order of 1018 cm-3, hence in a comparable order of magnitude as the bulk carrier density. Further, the interruptedly sintered nanoparticles impose energetic barriers for the transport of bulk carriers (hopping transport), while the connected surfaces of the nanoparticles provide a 3D percolation path for surface carriers. Within the preliminary work, my group tuned interruptedly sintered nanoparticles into a transport regime completely dominated by the surface states.
Within this project, nanoparticle-based macroscopic 3D TI materials will be developed towards test structures for devices. Their properties will be tailored by the nanoparticle synthesis (Objective 1) and the materials processing of interrupted early stage sintering (Objective 2). This is complemented by an in-depth characterization of the transport as well as spectroscopic properties and data modelling (Objective 3). My group will use this know-how for the fabrication of test devices (Objective 4). This combination will provide the first macroscopic quantum transport devices that utilize the unique electronic properties of surface states, overcoming the problem of bulk carrier domination
Champ scientifique
Programme(s)
Régime de financement
ERC-COG - Consolidator GrantInstitution d’accueil
45141 Essen
Allemagne