Previous concepts for using topological insulators are based on the application of electrical voltages in order to control currents – an approach adopted from conventional computer chips. However, if the exotic material properties are based on electrically neutral particles (which are neither positively nor negatively charged), an electric voltage no longer works. Such quantum phenomena, therefore, require other tools if they are to be generated at all – for example, light.

Optics and electronics are linked by a quantum phenomenon

An international research team headed by Professor Ralph Claessen, quantum physicist from Würzburg and co-spokesperson of ct.qmat, has now made a crucial discovery. “For the first time, we’ve been able to generate and experimentally detect quasiparticles known as excitons in a topological insulator. We’ve thus created a new toolkit for solid-state physics that can be used to control electrons optically.” As Claessen emphasizes: “This principle could become the basis for a new type of electronic components.”

Excitons are electronic quasiparticles. Although they seem to behave like independent particles, they actually represent an excited electronic state that can only be generated in certain types of quantum matter. “We created excitons by applying a short light pulse to a thin film consisting of just one single layer of atoms,” explains Claessen. What’s unusual about this, he says, is that the excitons were activated in a topological insulator – something that wasn’t possible before. “This has opened up a completely new line of research for topological insulators,” adds Claessen.

Three excitons (pairs consisting of an electron and an electron hole) on the topological insulator bismuthene. Due to the honeycomb atomic structure, electrons can only flow along the edges. Credit: Pawel Holewa

For about ten years, excitons have been investigated in other two-dimensional semiconductors and regarded as information carriers for light-driven components. “For the first time, we’ve managed to optically excite excitons in a topological insulator. The interaction between light and excitons means we can expect new phenomena in such materials. This principle could be used, for example, to generate qubits,” says Claessen.

Qubits are computing units for quantum chips. They’re far superior to traditional bits and allow to solve tasks within minutes for which conventional supercomputers would literally take years. Using light instead of electrical voltage enables quantum chips with much faster processing speeds. The latest findings therefore pave the way for future quantum technologies and a new generation of light-driven devices in microelectronics.

Global expertise from Würzburg

The right starting material is crucial – in this case bismuthene. “It’s the heavy sibling of the miracle material graphene,” says Claessen, who first tailored the topological insulator in the lab five years ago. “We’re the global leaders in this field,” he adds. “Due to our sophisticated materials design, the atoms of the single layer of bismuthene are arranged in a honeycomb pattern, just like graphene. The difference is that bismuthene’s heavy atoms make it a topological insulator, meaning it can conduct electricity along the edge without loss – even at room temperature. This can’t be done by graphene.”

அனிமேஷன்: பிஸ்முத்தீனில் ஒரு ஒளி துடிப்பு, பொருளின் இரு பரிமாண அல்ட்ராதின் அடுக்கு வழியாக நகரும் எக்ஸிடான் ஜோடிகளை உருவாக்குகிறது. பிஸ்முத்தீனின் ஒளித் துடிப்பானது, பொருளின் இரு பரிமாண அல்ட்ராதின் அடுக்கு வழியாக நகரும் எக்ஸிடான் ஜோடிகளை உருவாக்குகிறது. இந்த வழியில் குவாண்டம் சில்லுகளில் தகவல்களைச் சேமித்து கொண்டு செல்ல முடியும், ஒவ்வொரு ஜோடி எக்ஸிடான்களும் ஒரு குவிட்டை உருவாக்குகின்றன. பிஸ்முத்தீன் ஒரு இடவியல் இன்சுலேட்டராக இருப்பதால், விளிம்புகளில் மின்னோட்டத்தின் ஓட்டம் கிட்டத்தட்ட இழப்பற்றது. தேன்கூடு வடிவ அணு அமைப்பு வூர்ஸ்பர்க்கில் வடிவமைக்கப்பட்டது. கடன்: Jörg Bandmann, pixelwg/ct.qmat

மிகப்பெரிய சாத்தியம்

இப்போது ஆராய்ச்சிக் குழு முதன்முறையாக ஒரு இடவியல் இன்சுலேட்டரில் எக்ஸிடான்களை உருவாக்கியுள்ளது, கவனம் குவாசிபார்டிகல்களுக்குத் திரும்புகிறது. ct.qmat இல் உள்ள விஞ்ஞானிகள் பிஸ்முத்தீனின் இடவியல் பண்புகள் எக்ஸிடான்களுக்கு மாற்றப்படுகிறதா என்பதை ஆராய்ந்து வருகின்றனர். இதை அறிவியல் பூர்வமாக நிரூபிப்பது ஆராய்ச்சியாளர்களின் பார்வையில் இருக்கும் அடுத்த மைல்கல். இது இடவியல் குவிட்களின் கட்டுமானத்திற்கு வழி வகுக்கும், அவை அவற்றின் இடவியல் அல்லாத சகாக்களுடன் ஒப்பிடும்போது குறிப்பாக வலுவானதாகக் கருதப்படுகின்றன.

சர்வதேச ஒத்துழைப்பு

இந்த கண்டுபிடிப்புகள் போலோக்னா, வ்ரோக்லா, நியூயார்க், ஓல்டன்பர்க் மற்றும் வூர்ஸ்பர்க் ஆகிய நாடுகளின் விஞ்ஞானிகளின் நெருங்கிய ஒத்துழைப்பின் விளைவாகும். பிஸ்முத்தீனின் 2D பொருள் மாதிரிகள் JMU Würzburg இல் தயாரிக்கப்பட்டன.

குறிப்பு: டோமினிக் ஏ. ஹெல்மெரிச், கெர்டி பெலியு, தனுஷ் தபன், மாரா மியூப், மார்செல் ஸ்ட்ரெய்ட், அலெக்சாண்டர் குஹ்லேமன், சோரன் டூஸ் மற்றும் மார்கஸ் சாயர், 1 ஆகஸ்ட் 2022, “ஃபோட்டோஸ்விட்ச்சிங் கைரேகை பகுப்பாய்வு 10-என்எம் தெளிவுத்திறன் தடையைத் தவிர்க்கிறது”, இயற்கை முறைகள்.
DOI: 10.1038/s41592-022-01548-6