Fazy topologiczne w jednowymiarowych układach atomowych

Opis realizacji zakończonego projektu

Izolatory mogą występować jako topologicznie trywialne w postaci normalnego izolatora i topologicznie nietrywialne, znane inaczej jako izolator topologiczny (TI). Postać topologiczna nietrywialna (jeśli zaistnieje) oznacza występowanie stanów topologicznych na powierzchniach kryształu z zadziwiającą cechą w postaci braku oporu elektrycznego dla prądów elektrycznych płynących po powierzchni. W przypadku dwuwymiarowego izolatora topologicznego (cienkiej warstwy) (2D) stany topologiczne lokują się na krawędziach. Konsekwentnie, w układzie jednowymiarowym (np. w atomowym łańcuchu) (1D) taki stan może zaistnieć na końcach atomowej struktury. Podczas gdy badania materiałów topologicznych 3D i 2D są prowadzone w licznych laboratoriach, to układy 1D, z powodu trudności ich wytwarzania i ograniczonego zakresu metod badawczych przystosowanych do pomiarów ekstremalnie małych układów, są ciągle mało poznane.

Celem projektu była próba stworzenia izolatora topologicznego w postaci łańcucha zbudowanego z pojedynczych atomów oraz zbadanie i opisanie jego fizycznych właściwości. Warto wspomnieć, że tego typu badania wymagają wysoce specjalistycznego sprzętu eksperymentalnego, i zaawansowanych metod obliczeniowych. Pierwszą, zasadniczą trudność sprawiają rozmiary obiektów w postaci kilku lub kilkudziesięciu atomów (najmniejsze wirusy są zbudowane z kilkudziesięciu tysięcy atomów). Po drugie, nawet najmniejsza ilość gazu (powietrza) w otoczeniu dramatycznie zmienia właściwości każdego atomu w łańcuchu. Z tych powodów procesy wytwarzania i badania atomowych łańcuchów były prowadzone w warunkach ultra-wysokiej próżni (UHV) (rzędu 10^-14 bar, co odpowiada ciśnieniu w odległej próżni kosmicznej) i za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego. Na krysztale z wcześniej przygotowaną powierzchnią zawierającą regularnie rozłożone równolegle szeregi aktywnych atomów, osadzano atomy różnych metali ( Pb, Bi, Au, Sb i In). Wykorzystując zjawisko powierzchniowej dyfuzji atomów oraz samoorganizacji wytwarzano atomowe łańcuchy zbudowane z kilku aż do kilkudziesięciu atomów, co ilustruje załączony rysunek.

Przykład topograficznego obrazu podwójnego atomowego łańcucha Si-In na powierzchni kryształu Si wykonany za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego (STM). Większy obraz przedstawia powierzchnię o rozmiarach 25nm x 25nm a mniejszy pokazuje jej fragment 5nm x 5nm. Obrazy rejestrowano przy polaryzacji próbki V = +1V i prądzie tunelowym I = 20pA.

Optymalną metodą do badania właściwości nanostruktur jest skaningowa mikroskopia i spektroskopia tunelowa (STM i STS). Za jej pomocą stwierdziliśmy obecność nietrywialnego stanu topologicznego w atomowych łańcuchach Si-In. Inny typ łańcucha – zbudowany z atomów Sb, miał cechy doskonałego jedno-wymiarowego metalu. Efekty badań doświadczalnych zostały wykorzystane do skonstruowania teoretycznych modeli nanostruktur i obliczenia ich stacjonarnych i zależnych od czasu własności elektrycznych metodami DFT, ciasnego wiązania i operatora ewolucji.

Zasadniczym efektem realizacji projektu jest wykazanie, że poprzez wykorzystanie zjawiska samoorganizacji możliwe jest wytworzenie atomowych łańcuchów z topologicznymi stanami. Zarówno łańcuchy ze stanami topologicznymi, jak i te z cechami doskonałych metali stanowią obiekty dużego zainteresowania z powodu ich potencjalnych zastosowań w tworzeniu ekstremalnie cienkich przewodów i aktywnych elementów nanoelektroniki.

Opis projektu

W miarę postępowania miniaturyzacji elementów elektronicznych napotykane są kolejne bariery technologiczne związane nie tylko z technologią ich wytwarzania ale także z drastycznymi zmianami ich właściwości wynikającymi z dominacji efektów kwantowych. Problem ten nabiera szczególnego znaczenia w jedno-wymiarowych (1D) nanostrukturach. W wielu przypadkach, także udokumentowanych własnym publikacjami zespołu, atomy metali nakładane metodami Technologii Molekularnej Epitaksji (MBE) samoistnie tworzą na schodkowych (wicynalnych) powierzchniach monokryształów atomowe łańcuchy. Z punktu widzenia ewentualnych zastosowań atomowy łańcuch może być uznany za graniczny przypadek przewodnika prądu elektrycznego, łączącego nanometrowe elementy elektroniki przyszłości.

Celem projektu jest doświadczalne i teoretyczne zbadanie zachowania się 1D stanów topologicznych w atomowych łańcuchach wytwarzanych na wicynalnych i płaskich powierzchniach półprzewodnikowych kryształów. Badania będą prowadzone w celu poznania i zrozumienia mechanizmów fizycznych rządzących procesami pojawiania się w nich nietrywialnej fazy topologicznej. Zostanie określone, jak można wytwarzać i kontrolować stany topologiczne w układach 1D. Tablice takich łańcuchów atomowych na różnych powierzchniach stanowić będą nowy rodzaj materiału o niezwykle ciekawych właściwościach elektrycznych. Spodziewamy się, że obecność stanów topologicznych w atomowych łańcuchach i układach łańcuchów wpłynie korzystnie na powierzchniowe przewodnictwo elektryczne w takich układach.

Podczas realizacji projektu wykonywane będą obliczenia właściwości elektronowych topologicznych łańcuchów atomowych z zamiarem określenia, dla jakich podłoży i w jakich warunkach pojawią się stany topologiczne w łańcuchach atomowych. Proponowane teoretyczne prace będą miały za cel znalezienie układów atomowych przejawiających tzw. spinowe oscylacje Friedela oraz indukowane stany topologiczne. Unikalna aparatura w postaci mikroskopu tunelowego (STM) z rozdzielczością spinową i sił atomowych (AFM), pracujących w warunkach ultra-wysokiej próżni i temperaturze ciekłego helu (4,2K), pozwoli na obserwację łańcuchów atomowych i pojedynczych atomów, na manipulowanie atomami i na określenie lokalnej struktury elektronowej w miejscu każdego atomu.

Proponowane w projekcie badania mają charakter nowatorski ponieważ do tej pory nie wytworzono 1D izolatora topologicznego na modyfikowanych powierzchniach wicynalnych z wykorzystaniem m.in. mechanizmów samoorganizacji nanostruktur. Proponowane w projekcie badania pozwolą określić naturę nietrywialnych stanów w łańcuchach atomowych a poznanie ich właściwości elektronowych i elektrycznych znacząco przybliży potencjalne możliwości aplikacyjne. Mogłyby one być wykorzystane w spintronice, komputerach kwantowych czy ultraszybkiej komunikacji pom