Atomtynn tinnfolie kan bli nytt supermateriale

Et enkelt lag av tinnatomer kan lede strøm helt uten energitap – i romtemperatur.

Publisert
I kantene av det atomtynne laget av tinn kan strøm løpe helt uten motstand. Her er gitteret av tinnatomer (grå) sammen med fluoratomer (gule), som øker den temperaturen som materialet kan fungere ved. (Foto: (Tegning: Yong Xu/Tsinghua University; Greg Stewart/SLAC))
I kantene av det atomtynne laget av tinn kan strøm løpe helt uten motstand. Her er gitteret av tinnatomer (grå) sammen med fluoratomer (gule), som øker den temperaturen som materialet kan fungere ved. (Foto: (Tegning: Yong Xu/Tsinghua University; Greg Stewart/SLAC))

Fakta:

Man kan tenke på grafen og stanen som hønsenetting i atomstørrelse.

I grafen er det karbonatomer som er bundet til hverandre i et enkelt atomlag, og i stanen er det tinnatomer.

Grafen har en rekke bemerkelsesverdige egenskaper – det er sterkt, elektrisk ledende og gjennomsiktig – og til å begynne med mente forskerne at det kanskje kunne lede strøm perfekt i kantene.

Det kan det imidlertid ikke, så på det punktet er stanen langt mer lovende.

Framtidens databrikker kan sende elektriske signaler til hverandre som beveger seg med 100 prosent effektivitet. Da vil farten øke, mens strømforbruket reduseres.

Forskere fra universiteter i USA, Kina og Tyskland har nemlig regnet seg frem til at elektrisk strøm ledes helt perfekt i kantene av verdens absolutt tynneste tinnfolie, som bare er ett atom tykt. Og det kan faktisk skje ved romtemperatur.

Materialet kalles stanén etter starten av det latinske navnet for tinn – stannum – forsynt med endelsen -én, som vi også kjenner fra grafén, som er karbon i to dimensjoner.

Hvis man tilsetter fluoratomer til gitteret av tinnatomer, blir det enda bedre. Da kan materialet lede elektrisk strøm uten tap ved temperaturer helt opp til 100 grader celsius.

Bare strøm gjennom kantene

– Tinn i to dimensjoner kan komme til å bli det nye supermaterialet, forteller professor Philip Hofmann fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

– Ideen er veldig god og svært viktig. Man kan få den perfekte transporten av strøm i kanten av slike materialer.

Det atomtynne laget av tinn tilhører en klasse av materialer som kalles topologiske isolatorer. Disse forunderlige materialene er isolatorer innvendig, men kan lede elektrisk strøm på overflaten eller i kantene.

Tinn er grunnstoff nummer 50. Metallet brukes blant annet til hermetikkbokser, der det påføres stålet i et tynt lag og virker som rustbeskyttelse. (Foto: Colourbox)
Tinn er grunnstoff nummer 50. Metallet brukes blant annet til hermetikkbokser, der det påføres stålet i et tynt lag og virker som rustbeskyttelse. (Foto: Colourbox)

I en vanlig elektrisk ledning, for eksempel av kobber, har ikke elektronene fritt fram. De støter hele tiden inn i kobberatomene og mister energi i form av varme. Men i de topologiske isolatorene er det annerledes, og det skyldes en særlig kvantemekanisk effekt som kalles kvante-spinn-Hall-effekten.

Alle elektronene tar samme vei

– I kanten kan elektronene bare bevege seg i én retning, og det gjør de uten å miste energi. Alle elektronene må så å si gjennom den samme kanalen, og de kan ikke støte inn i hverandre, forteller Hofmann.

Det er ikke snakk om superledere, som bare fungerer ved svært lave temperaturer, og hvor strømmen farer fritt gjennom hele materialet. De topologiske isolatorene tillater bare strøm å løpe fritt på overflaten, hvis det er snakk om et 3D-materiale, eller ved kantene, hvis det er et todimensjonalt materiale som det atomtynne tinnlaget.

Aarhus vil også være med

I dag finnes stanén bare i teorien, for forskerne har fortsatt ikke produsert det. De vet altså ikke om teorien holder. Men det gjør den nok, mener Hofmann.

– Det finnes andre lignende materialer, for eksempel dobbeltlag av vismut som også er en todimensjonal topologisk isolator. Og her har folk målt at strømmen faktisk flyter fritt i kantene.

Det er etter hvert oppdaget en del topologiske isolatorer i kjølvannet av oppdagelsen av grafén i 2004, og Philip Hofmann har forsket på dem i årevis. Han er overbevist om at det er flere på vei, og han vil gjerne være med på å oppdage dem, produsere dem og måle egenskapene de har.

– På Aarhus Universitet kunne vi godt tenke oss å gå i gang med en større forskningsinnsats hvor vi kunne syntetisere og undersøke de nye todimensjonale materialene. Det blir en svært viktig forskningsretning. De topologiske isolatorene er framtiden.

Referanse:

Yong Xu m.fl: Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films. Physical Review Letter, 2013. DOI:10.1103/PhysRevLett.111.136804

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.