Współczesne materiały kwantowe stanowią pole intensywnych badań, a jednym z najbardziej obiecujących zjawisk jest fenomen elektronów balistycznych. W tym niezwykłym stanie nośniki ładunku elektrycznego poruszają się niemalże bez strat energii, skutecznie omijając rozpraszanie powodowane przez defekty strukturalne materiału. Ten typ zachowania, typowy dla środowisk o ograniczonej wymiarowości, otwiera przed elektroniką przyszłości ogromne możliwości. Aby lepiej zrozumieć i wykorzystać to zjawisko, naukowcy z Centrum Badawczego Jülich (Forschungszentrum Jülich) oraz Uniwersytetu RWTH w Akwizgranie (RWTH Aachen University) wspólnie opracowali przełomowy model. Jego celem jest precyzyjna identyfikacja tego specyficznego rodzaju przepływu elektronów w warunkach, które są maksymalnie zbliżone do rzeczywistych konfiguracji eksperymentalnych.
Balistyczne kanały przewodnictwa, które naturalnie tworzą się na krawędziach dwuwymiarowych materiałów topologicznych, są postrzegane jako fundament dla projektowania zarówno wysoce efektywnych obwodów elektronicznych, jak i stabilnych kubitów w informatyce kwantowej. Nowo zaprezentowane podejście badawcze czerpie inspirację z fundamentalnych założeń teorii balistycznego transportu ładunku, której pionierem był Rolf Landauer. Należy jednak pamiętać, że klasyczny model Landauera opierał się na wyidealizowanym scenariuszu, w którym elektrony mogły wchodzić do kanału lub go opuszczać wyłącznie w jego skrajnych punktach. Innowacja wprowadzona przez badaczy z Jülich polega na przezwyciężeniu tej restrykcji. Zespół ten uznał, że balistyczny kanał ładunku nie funkcjonuje w izolacji, lecz stanowi integralną część większego materiału przewodzącego, który odpowiada za wprowadzanie prądu.
Ta zmiana perspektywy ma kluczowe znaczenie: oznacza to, że elektrony mogą wnikać do kanału lub go opuszczać na całej jego długości, co idealnie odzwierciedla obserwacje poczynione w warunkach laboratoryjnych. Jak podkreślił dr Christoph Moers, pierwszy autor opublikowanego badania, dzięki temu po raz pierwszy możliwe stało się opisanie zachowania kanałów krawędziowych w sposób zgodny z rzeczywistością fizyczną. Według doktora Moersa, zaproponowana teoria dostarcza wyraźnych sygnatur, które umożliwiają jednoznaczne zidentyfikowanie bezstratnego prądu balistycznego i odróżnienie go od standardowego, dyssypatywnego (rozpraszającego energię) transportu ładunku.
Model ten ma również wymiar praktyczny, ponieważ przewiduje charakterystyczne rozkłady napięcia. Te specyficzne wzorce mogą być bezpośrednio rejestrowane i mierzone przy użyciu zaawansowanych narzędzi, takich jak nanosondy lub skaningowe mikroskopy wieloprobówkowe. Rozróżnienie między prądami balistycznymi a dyssypatywnymi jest krokiem o krytycznym znaczeniu dla ostatecznego potwierdzenia istnienia tych niezwykłych kanałów przewodnictwa oraz dla ich przyszłego zastosowania w urządzeniach elektronicznych. Badania nad materiałami topologicznymi, na przykład izolatorami topologicznymi, które wykazują balistyczne zachowanie na swojej powierzchni, są intensywnie prowadzone w celu stworzenia ultraszybkich tranzystorów. Precyzyjne modelowanie tych efektów ma bezpośredni wpływ na projektowanie nowych materiałów o ściśle określonych właściwościach elektronicznych, co stanowi filar dla rozwoju technologii półprzewodnikowych następnej generacji.