Opis projektu
O krok bliżej do pierwszego funkcjonalnego urządzenia wykorzystującego trójwymiarowe izolatory topologiczne
Izolator topologiczny to charakteryzujący się egzotycznym stanem materiał, którego wnętrze ma właściwości izolacyjne, ale na jego powierzchni istnieją stany przewodzące, co oznacza, że elektrony mogą się przemieszczać jedynie przy powierzchni tego materiału. Transport elektronów w trójwymiarowych izolatorach topologicznych odbywa się przede wszystkim za pomocą nośników masowych, co ogranicza możliwość ich wykorzystania w nowoczesnych urządzeniach i zastosowaniach spintronicznych. Finansowany przez UE projekt MATTER pozwoli ominąć tę przeszkodę dzięki wykorzystaniu projektu nanocząstki, który bazuje na procesie wczesnego spiekania. Oprócz przeprowadzania eksperymentów naukowcy będą badać też właściwości spektroskopiczne takiej nanocząstki i prowadzić prace teoretyczne nad modelowaniem transportu. Celem projektu jest zademonstrowanie pierwszego funkcjonalnego urządzenia do transportu makroskopowych stanów kwantowych, które będzie wykorzystywać właściwości elektroniczne stanów powierzchniowych.
Cel
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
Dziedzina nauki
Program(-y)
Temat(-y)
System finansowania
ERC-COG - Consolidator GrantInstytucja przyjmująca
45141 Essen
Niemcy