De toestand van een topologisch Dirac-halfmetaal (TDS) komt voor op de overgang van normale isolator naar een topologische isolator.

Het lijkt er op of tegenwoordig alles (of althans veel) dat op het gebied van materiaal ontdekt wordt op het bord met het opschrift ‘kwantumcom-puter’ wordt gegooid. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley-lab, onderdeel van het Amerikaanse ministerie van energie, vonden dat elektronen in natriumbismutaat, een natriumzout van bismutzuur, zich net zo gedragen als in grafeen, als een, zo als dat genoemd wordt, een driedimensionaal Dirac-halfmetaal (3DTDS). Dit is de eerste keer dat het bestaan van zogeheten 3d-Diracfermionen is aangetoond in het inwendige van een materiaal. Tot nu toe zijn die alleen waargenomen in het platte vlak in grafeen en in topologische isolatoren. Nog niet zo lang geleden is dat door theoretici voorspeld. “Stoffen met die eigenschappen zijn het driedimensionale equivalent van grafeen met eenzelfde of zelfs betere elektronmobiliteit”, zegt  Yulin Chen van het lichtlab van Lawrence Berkeley, tegenwoordig werkzaam op de universiteit van het Engelse Oxford. “Vanwege de 3d-Diracfermionen vertonen deze materialen ook magnetische eigenschappen die veel beter zijn dan die van materialen die nu gebruikt worden voor harde schijven en ook zouden ze de basis kunnen vormen van efficiëntere optische sensoren.” Met andere woorden: de verkleining van geheugenopslagruimte hoeft nog niet ten einde te zijn.

Grafeen en de zogeheten topologische isolatoren (materiaal dat van binnen isolator is en aan het oppervlak geleider) zijn de ‘keizers’ van het hedendaagse materiaalonderzoek. Bij beide komen de tweedimensionale Dirac-fermionen om de hoek kijken. Dat schijnt de gemoederen te verhitten, omdat dat betekent dat die materialen allerlei spectaculaire eigenschappen bezitten. “De snelle ontwikkeling van grafeen en de topologische isolatoren deed de vraag rijzen of er ook driedimensionale varianten zijn of andere materialen met een ongebruikelijk ’topologie’ in hun elektronische structuur”, zegt Chen. “Deze ontdekking geeft een antwoord op beide vragen.” Het natriumbismutaat was al door Chinese theoretici Zheiyu Fang en Xianzhe Dai aangemerkt als een kandidaat voor een driedimensionaal Dirac-halfmetaal. “Zo’n 3DTDS-systeem heeft vanwege die derde dimensie veel voor op grafeen”, zegt Chen. Ook het maken van het tweedimensionale grafeen is beslist nog geen sinecure, al werd het eerste grafeen gemaakt met behulp van een simpel plakbandje. Het vervelende is alleen dat ook natriumbimutaat niet de gedroomde kandidaat is. Het is nogal onstabiel. In ieder geval te onstabiel om in ‘onverpakt’ te worden toegepast, maar de toon is gezet. Ongetwijfeld zijn er, zo redeneren Chen en zijn medewerkers, betere kandidaten.
Chen ziet het driedimensionale grafeen ook bruikbaar voor allerhande nieuwe toepassingen, met natuurlijk weer die verdomde kwantumcomputer als kers op de taart.

Bron: Eurekalert