В типичном проводнике электрический ток течет равномерно повсюду. Изоляторы, с другой стороны, с трудом проводят электричество. Обычно монослой с₂ это специальный изолятор с проводящей кромкой; намагничивание придает ему более необычные свойства.

"Мы уложили монослой WTe₂ с изолирующим ферромагнетиком толщиной в несколько атомных слоев - из Cr₂Ge₂Чай₆, или просто CGT - и обнаружил , что WTe₂ развил ферромагнетизм с проводящим краем", - сказал Цзин Ши, выдающийся профессор физики и астрономии Калифорнийского университета, который руководил исследованием. "Краевой поток электронов является однонаправленным и может быть изменен с помощью внешнего магнитного поля".

Ши объяснил, что когда электричество проводит только кромка, размер внутренней части материала несущественен, что позволяет уменьшить размеры электронных устройств, использующих такие материалы, - фактически, почти до размеров проводящей кромки. Поскольку устройства, использующие этот материал, потребляли бы меньше энергии и рассеивали ее, их можно было бы сделать более энергоэффективными. Батареи, использующие эту технологию, например, прослужили бы дольше.

Результаты исследования появляются в Сообщения о природе.

В настоящее время технология работает только при очень низких температурах; CGT является ферромагнитным при температуре около 60 К (или -350 F). Целью будущих исследований будет заставить технологию работать при более высоких температурах, что позволит использовать ее во многих наноэлектронных приложениях, таких как чипы энергонезависимой памяти, используемые в компьютерах и сотовых телефонах.

По словам Ши, проводящая кромка в идеальных квантовых спиновых изоляторах Холла состоит из двух узких каналов, проходящих рядом друг с другом, сродни двухполосному шоссе с автомобилями, движущимися в противоположных направлениях. Электроны, текущие в одном канале, не могут перейти в другой канал, сказал Ши, если не будут введены примеси. Проводящий край в монослое WTe₂ впервые был визуализирован в более раннем исследовании соавтором Юнтао Цуй, адъюнкт-профессором физики и астрономии Калифорнийского университета и коллегой Ши.

"Это два канала на ребро", - сказал Ши. "Если вы устраните один канал, вы получите ток, текущий только в одном направлении, оставляя вас с так называемым квантовым аномальным изолятором Холла, еще одним специальным квантовым материалом. Такой изолятор имеет только одну полосу движения по шоссе, если использовать аналогию с шоссе. Этот изолятор транспортирует электроны полностью спин-поляризованным образом."

С другой стороны, намагниченный WTe₂ то, с чем экспериментировали Ши и его коллеги, называется ферромагнитным квантовым спиновым изолятором Холла, который имеет проводящий край с частично поляризованными по спину электронами.

"В двух каналах ферромагнитных квантовых спиновых изоляторов Холла мы имеем неодинаковое количество электронов, текущих в противоположных направлениях, что приводит к суммарному току, которым мы можем управлять с помощью внешнего магнита", - сказал Ши.

По словам Ши, квантовые материалы, такие как WTe₂ это будущее наноэлектроники.

"Закон о чипах побудит исследователей создавать новые материалы, свойства которых превосходят свойства современных кремниевых материалов", - сказал он.

К Ши присоединились в исследовании Цуй и Си Чен из Калифорнийского университета, а также следующие исследователи в их лабораториях: Мина Рашетния, Марк Ломанн и Юмин Сюй. Первый автор Цзюньсюэ Ли был постдокторантом в лаборатории Ши, когда проводилось исследование. Другими соавторами статьи являются Яхьюн Ку и Бинхай Ян из Научного института Вейцмана в Израиле; Сяо Чжан и Шуан Цзя из Пекинского университета в Китае; и Кэндзи Ватанабэ и Такаши Танигути из Национального института материаловедения в Японии.

Исследование Ши было поддержано грантами Министерства энергетики и Национального научного фонда.