Janusz Sadowski vid MBE-apparaten

Ny forskning kan ge bättre elektroniska komponenter i framtiden

Med hjälp av ett bidrag från Vetenskapsrådet kommer forskare vid Linnéuniversitetet att genomföra experimentella och teoretiska studier av magnetiska topologiska material, ett område som fick Nobelpriset i fysik 2016. Nya typer av energisnåla magnetelektroniska komponenter är ett av flera tänkbara resultat av projektet.

Ledare, halvledare och isolatorer. Det är den klassiska indelningen av material utifrån deras förmåga att leda, delvis leda eller inte alls leda elektrisk ström. Exempel på dessa tre typer av material är koppar, kisel respektive plast.

Under de senaste tio åren har emellertid nya material med unika egenskaper upptäckts, de så kallade topologiska isolatorerna (TI) och topologiska semimetallerna (TSM). Teoretiska upptäckter inom området gav tre britter Nobelpriset i fysik 2016 och nu kommer forskare vid Linnéuniversitetet att i ett nytt projekt genomföra såväl experimentella som teoretiska studier av magnetiska topologiska material.

– Att elektroner inte kan sprida sig bakåt i ett material är något som hittills bara observerats i väldigt specifika fall. I topologiska material kan detta däremot ske nära rumstemperatur och utan krav på hög renhet hos materialet eller externt magnetfält. Fenomenet uppkommer vid ytan eller kanterna för TI och i hela materialet för TSM, säger Janusz Sadowski, professor i fysik och projektledare.

Denna unika egenskap för med sig en ökad rörlighet hos elektronerna vid ytan i materialet. Å andra sidan kan förekomsten av magnetiska komponenter i närheten i hög grad påverka detta beteende och skapa helt nya kvantfenomen. I praktiken kan detta åstadkommas antingen genom att man blandar lager av topologiska och magnetiska material, eller genom att man dopar ett topologiskt material med magnetiska grundämnen som mangan eller krom. Även motsatt effekt kan uppnås: det topologiska materialet kan användas för att styra ferromagneters egenskaper.

– Dessa båda unika effekter öppnar nya möjligheter som kan leda till nya magnetelektroniska komponenter. Komponenterna blir snålare på köpet, eftersom elektronernas högre rörlighet minskar energiförlusterna. Kombinationen av ferromagnetiska och topologiska material gör det även möjligt att styra elektroniska komponenter ett på helt nytt sätt, säger Janusz Sadowski.

Kombinerar teori och experiment

Projektet heter "Experimentella och teoretiska studier av magnetiska topologiska material och heterostrukturer" och startar 1 januari 2018 med 3,6 miljoner kr i bidrag från Vetenskapsrådet. Materialen kommer att framställas i ett nytt laboratorium på Linnéuniversitetet via så kallad molekylär strålepitaxi (Molecular Beam Epitaxy; MBE), vilket innebär att atomer läggs på ett substrat i tunna lager under mycket rena förhållanden. Utrustningen för detta har nyligen flyttats från MAX-lab i Lund till Växjö. Man kommer även att samarbeta med det nybyggda MAX IV-synkrotronlaboratoriet i Lund, Uppsala universitet, Chalmers Tekniska Högskola och, i framtiden, kanske också med det kommande europeiska forskningscentret European Spallation Source (ESS) i Lund.

– Att projektet kombinerar teori med experiment gör det unikt för Sverige. Det bygger vidare på de teoretiska studier av topologiska och ferromagnetiska material som pågått under många år i forskargruppen Condensed Matter Physics vid Linnéuniversitetet, säger Carlo Canali, professor i fysik, ledare för forskargruppen och medsökande i projektansökningen.

För mer information, kontakta