Onderzoekers creëren model voor de detectie van verliesvrije elektronenstroom in tweedimensionale topologische materialen

Het verschijnsel van ballistische elektronen, waarbij ladingsdragers zich nagenoeg zonder enig verlies verplaatsen doordat ze verstrooiing door structurele defecten vermijden, vormt een cruciaal onderzoeksdomein binnen de studie van geavanceerde kwantummaterialen. Dit specifieke gedrag, dat kenmerkend is voor omgevingen met een beperkte dimensionaliteit, opent immense perspectieven voor de elektronica van morgen. Om dit bijzondere type elektronenstroom nauwkeurig te kunnen identificeren onder omstandigheden die zo dicht mogelijk bij de werkelijke experimentele opstellingen liggen, hebben vooraanstaande wetenschappers van het Forschungszentrum Jülich en de RWTH Aachen University een baanbrekend nieuw model ontworpen.

Ballistische kanalen, die zich primair manifesteren aan de randen van tweedimensionale topologische materialen, worden beschouwd als de fundamentele bouwstenen voor de creatie van uiterst efficiënte elektronische schakelingen en stabiele kwantumbits (qubits) in toekomstige kwantumcomputers. De basis voor deze nieuwe wetenschappelijke benadering ligt in de fundamentele principes van de theorie van ballistisch ladingsvervoer, zoals die oorspronkelijk zijn vastgelegd door Rolf Landauer. Het klassieke model van Landauer ging echter uit van een sterk geïdealiseerd scenario, waarin de elektronen de geleidingsweg uitsluitend via de uiterste in- en uitgangspunten konden betreden of verlaten. Dit bood een theoretisch kader, maar voldeed niet volledig aan de complexiteit van de praktijk.

De recente ontwikkeling door de onderzoekers uit Jülich overstijgt deze eerdere beperking. Zij erkennen expliciet dat het ballistische ladingskanaal geen geïsoleerd systeem is, maar integraal deel uitmaakt van een groter geleidend materiaal dat verantwoordelijk is voor de injectie van de elektrische stroom. Dit fundamentele inzicht impliceert dat elektronen de mogelijkheid hebben om over de gehele lengte van het kanaal in- of uit te treden. Dit komt exact overeen met de complexe waarnemingen die routinematig in het laboratorium worden gedaan. Dr. Christoph Moers, de eerste auteur van dit invloedrijke onderzoek, merkte op dat deze theorie het voor het eerst mogelijk maakt om het gedrag van deze cruciale randkanalen in overeenstemming met de werkelijkheid te beschrijven.

Volgens de bevindingen van Dr. Moers en zijn team levert de voorgestelde theorie duidelijke en meetbare signalen op. Deze 'signatuur' is essentieel om de verliesvrije ballistische stroom ondubbelzinnig te kunnen onderscheiden van het meer gebruikelijke, dissipatieve ladingsvervoer, waarbij energie verloren gaat. Het model voorspelt specifieke en karakteristieke spanningsverdelingen. Deze kunnen direct en nauwkeurig worden vastgelegd met behulp van geavanceerde meetinstrumenten, zoals nanoprobes of gespecialiseerde multi-probe scanning microscopen. Het vermogen om een helder onderscheid te maken tussen ballistische en dissipatieve stromen is een kritieke stap voor de definitieve bevestiging van het bestaan van deze ongewone geleidingskanalen en hun praktische inzet in toekomstige elektronische apparaten. De nauwkeurige modellering van deze effecten heeft een directe en diepgaande invloed op de ontwikkeling van nieuwe materialen met precies de gewenste elektronische eigenschappen, wat de basis vormt voor de halfgeleidertechnologie van de volgende generatie.