Ученые создали кристалл с переключаемой топологией для энергоэффективной электроники

Ученые из Университета Британской Колумбии (UBC) впервые продемонстрировали полностью обратимый способ переключать топологическое состояние квантового материала, используя механизмы, совместимые с современной электроникой. Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, открывает путь к созданию более энергоэффективных устройств.

Ученые UBC продемонстрировали обратимый способ переключения топологического состояния квантового материала. На изображениях показан переход от незамкнутого узлового контура (темная прямая линия; правая панель) к замкнутому узловому контуру (левая панель). Автор: University of British Columbia

«Обычная электроника основана на токах электронов, которые из-за электрического сопротивления тратят энергию и выделяют тепло. Топологические токи защищены симметрией, что делает их перспективными для устройств с гораздо меньшими потерями», — пояснила доктор Мейган Аронсон, участница исследования.

Как работает переключатель

Команда получила полный экспериментальный контроль над «узловым контуром» материала — круговым каналом высокой проводимости для электронов. Когда симметрия кристаллической решетки сохраняется, контур остается открытым, позволяя электронам двигаться свободно. Нарушение симметрии разрывает контур и создает энергетическую щель, превращая материал в изолятор.

«Что меня больше всего восхищает, так это то, что у нас есть материал, который позволяет нам по желанию воспроизводимо управлять симметрией кристаллической структуры», — сказал ведущий автор работы доктор Йорн Баннис.

Исследователи выявили два «регулятора» перехода: изменение соотношения сурьмы (Sb) и теллура (Te) в кристалле, а также обратимое осаждение тонкого слоя калия на его поверхности. Добавление калия отдает электроны и восстанавливает симметрию, необходимую для замыкания энергетической щели, снова позволяя течь топологическим токам. Нагрев образца удаляет калий и возвращает материал в исходное состояние, создавая аналог электронного переключателя в транзисторах.

Эксперимент и перспективы

Для наблюдения за переходом команда использовала метод фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), который позволяет напрямую визуализировать электронную структуру в реальном времени.

Показав, что электронную топологию материала можно настраивать добавлением или удалением электронов, исследование открывает новые возможности для интеграции перспективных квантовых материалов с существующей электроникой.

Больше информации: J. Bannies et al, Electronic switching of topology in LaSbTe, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02396-3