Brno, 26. ledna 2020 – Nové možnosti bezztrátového přenosu elektrického signálu, které se dají využít například v procesorech kvantových počítačů, testovala na nových sloučeninách mezinárodní skupina vědců včetně odborníků z Masarykovy univerzity (MU), Západočeské univerzity v Plzni (ZČU) a institutu CEITEC Vysokého učení technického (VUT).

Experimentální práci, která se zabývala charakterizací vlastností takzvaných topologických izolátorů, tedy materiálů, které vedou elektrický proud pouze na povrchu a jinak se chovají jako izolanty, zveřejnil vědecký časopis Nature. Výsledky by mohly v budoucnu pomoci se sestrojením kvantového počítače, o kterém se zatím uvažuje jen teoreticky.

Odborníci z Německa, Rakouska a České republiky ověřovali vlastnosti telluridu bismutu s příměsí manganu. Právě mangan změnil díky svému magnetismu strukturu látky, která je tak odolná vůči vnějším vlivům a její činnost se dá regulovat. Chová se tak jako takzvaný supravodič. „Tyto materiály jsou charakteristické svou strukturou, která se dá přirovnat k lístkovému těstu. Jsou uspořádané ve vrstvách o síle pěti nebo sedmi atomů, tedy asi jednoho nanometru. Vrstvy o sedmi atomech se tvoří právě díky přidání manganu, který se do struktury zabudovává přednostně ve středu vrstev o sedmi atomech. Právě to zlepšuje požadované vlastnosti materiálu,“ uvedl Ondřej Caha z Přírodovědecké fakulty MU a Centra pokročilých nano a mikrotechnologií CEITEC MU, který pracoval mimo jiné na charakterizaci nového materiálu.

Mezinárodnímu týmu vědců se poprvé podařilo detekovat a měřit takzvanou energetickou mezeru vytvořenou přidáním manganu, a to pomocí spinově rozlišené fotoelektronové spektroskopie na synchrotronu BESSY II. „Specifikem výzkumu bylo úzké propojení experimentálních a teoretických metod. Za pomoci kvantověmechanických výpočtů se nám podařilo popsat magnetické vlastnosti tohoto systému. Do budoucna tyto výpočty umožní předpovídat další nové materiály,“ vysvětluje Jan Minár z vysokoškolského ústavu Nové technologie – výzkumné centrum ZČU, který se svým kolegou Saleemem Khanem vytvořil teoretickou část práce. Pro ZČU jde o vůbec první publikaci v prestižním časopise Nature.

Samotná měření probíhala v několika institutech, mimo jiné ve Výzkumné infrastruktuře CEITEC Nano na VUT. Zde oborníci využili jeden z nejvýkonnějších mikroskopů na světě, a to transmisní elektronový mikroskop TITAN, díky kterému lze přímo sledovat atomární strukturu materiálu. „Struktura je podstatou jedinečných vlastností každého materiálu a díky těmto pozorováním bylo možné zjistit pozoruhodnou roli přidaného manganu na uspořádání atomů telluridu bismutu, a lépe tak pochopit princip fungování nové sloučeniny,“ doplnil Jan Michalička z VUT. Pro charakterizaci studovaného materiálu odborníci využili i další přístroje CEITEC Nano, která je speciální tím, že její unikátní přístroje mohou využívat čeští i zahraniční vědci nezávisle na tom, ve které instituci působí.

Rozsáhlé experimenty zahrnující přípravu materiálů, testování jejich vlastností a jejich popis začaly už v roce 2012 a trvaly zhruba pět let. Jde tak o důkladné ověření jejich funkčnosti, především pak takzvaných povrchových stavů materiálu, což jsou elektronové stavy v okrajových atomech pevné látky, které se jinak v materiálu nevyskytují. „V tomto případě jde právě o možnost vedení proudu bez odporu. Zatím se nám ale podařilo prokázat splnění nutných podmínek jen za extrémně nízkých teplot, tedy při deseti stupních Kelvina, což je asi -260 stupňů Celsia,“ podotkl Caha. Vědci budou ve výzkumu materiálů dál pokračovat, testují i nové kombinace látek tak, aby získali požadované vlastnosti za příznivějších teplot.

Zdroj: MUNI