Grafén nehézfémekből: szobahőmérsékleten működő topologikus szigetelő
Széles körben ismert, hogy a grafén felfedezése, mint két-dimenziós, egy atom vékony kristály elindított egy teljesen új kutatási irányt az anyagtudományban. A réteges, 2D anyagok vizsgálata azóta jelentős új felfedezéssel és potenciális gyakorlati alkalmazással kecsegtet. Talán kevésbé ismert, hogy a grafén egy hasonlóan fontos új kutatási terület kiindulópontját képezte: a topologikus szigetelőkét (lásd 2016-os fizikai Nobel díj). A topologikus szigetelők olyan kristályok, amelyek a belsejükben elektromosan szigetelők, a felületükön és éleiken viszont vezetik az elektromos áramot. Ezen vezető csatornáknak egy fontos tulajdonsága az, hogy veszteségmentesen vezetik az elektromos áramot, ellentétben a megszokott elektromos vezetőkkel, mint például a réz vagy az alumínium. 2005-ben Charles Kane és Eugene Mele[i] elméleti számolások által megmutatták, hogy a grafén valójában egy topologikus szigetelő, ha figyelembe vesszük, hogy a benne száguldozó elektronok kis mágnesként viselkednek, amit spinnek nevezünk. Sajnos gyakorlatban szinte lehetetlen megfigyelni a veszteségmentes elektromos vezetést a grafén szélein, mivel egy fontos paramétere a Kane-Mele modellnek az ún. spin-pálya kölcsönhatás elenyészően kis mértékű a grafént képező szén atomokban. Ez azt eredményezi, hogy a topologikus elektron vezetés kísérletben való megfigyeléséhez olyan alacsony hőmérsékletre van szükség (mikro-Kelvin), ami laboratóriumban egyelőre elérhetetlen.
Az elmúlt 10 évben a tudományos közösség jelentős erőfeszítéseket tett olyan anyagok felderítése érdekében, amelyekben akár szobahőmérsékleten is megfigyelhető a veszteségmentes elektromos vezetés. Ezt a célt tűzte ki magának a Topológia Nanoszerkezetekben Lendület csoport is. A Nemes-Incze Péter által vezetett kísérleti és elméleti kutatás célpontja egy a természetben is előforduló ásvány, a platina-higany-szelenid (Pt2HgSe3, angol tudományos nevén: jacutingaite).
Ábra 1. Spin polarizált, az elektromos áramot veszteség mentesen vezető csatornák (piros: fel spin, zöld: le spin) a Pt2HgSe3 kristály élein.
Az anyagot felépítő platina és higany atomok a grafénhez hasonló hatszöges rácsban helyezkednek el. Ez a nehézfémekből álló méhsejtrács határozza meg a kristály elektromos tulajdonságait. A lényeges különbség a grafénhez képest az, hogy a szénnel ellentétben a higanynak és a platinának a spin-pálya kölcsönhatása nagységrendekkel erősebb.
A Lendület csoportban dolgozó diáknak (Kandrai Konrád, MSc hallgató) sikerült megmutatni, hogy az anyag a grafithoz hasonlóan szétválasztható egyedi atomi rétegekre, a grafén kutatásból már jól ismert technikák segítségével. A kutatók atomi skálán vizsgálták az anyag elektromos tulajdonságait, pásztázó alagútmikroszkópos mérések által. Sikerült kimutatni a kristály szélein a topologikus, elektromosan vezető élcsatornákat, valamint fény derült arra is, hogy a nagy spin pálya kölcsönhatásnak köszönhetően, ez az anyag akár szobahőmérsékleten is topologikus szigetelőként viselkedik, ellentétben a grafénnel. A platina-higany-szelenid lényegében megvalósítja a rég keresett Kane-Mele topologikus szigetelő állapotot.
Az újonnan felfedezett topologikus szigetelő a jövőben jelentős szerepet játszhat alacsony fogyasztású elektromos áramkörök kialakításában. Továbbá, szupravezető anyagokkal kombinálva, lehetőség nyílhat topologikus kvantum számítógépekben való alkalmazásban.
A kísérleti munka az EK MFA Nanoszerkezetek Osztályán valósult meg, amely úgy emberi tudásbázis, mint infrastrukturális szempontból kiváló otthont biztosít a NanoTopo Lendület csoport számára. A kutatás együttműködésben történt a Cseh geológiai intézet munkatársával, Anna Vymazalová-val aki a vizsgálat kristályokat növesztette. További együttműködő partnerek: elméleti számolásokban az ELTE TTK Biológiai Fizika tanszék munkatársai, Koltai János és Kukucska Gergely, valamint Raman spektroszkópiás mérésekben a Wigner Fizikai Kutatóközpontból Kamarás Katalin és Pekker Áron.
A kutatás eredményei a Nano Letters folyóiratban jelentek meg: Kandrai, K. et al. Signature of Large-Gap Quantum Spin Hall State in the Layered Mineral Jacutingaite. Nano Lett. 20, 5207–5213 (2020).
[i] Kane, C. L. & Mele, E. J. Quantum Spin Hall Effect in Graphene. Phys. Rev. Lett. 95, 226801 (2005).