Fremtidens computerchips kan have forbindelser, hvor de elektriske signaler farer igennem 100 procent effektivt. Så kan computerens hastighed sættes op, mens strømforbruget sænkes.
Forskere fra universiteter i USA, Kina og Tyskland har nemlig regnet sig frem til, at elektrisk strøm ledes helt perfekt i kanterne af verdens absolut tyndeste tinfolie, der kun er ét atom tykt. Og det kan endda ske ved stuetemperatur. Resultatet beskrives i en videnskabelig artikel i fysik-tidsskriftet Physical Review Letters.
Materialet kaldes stanen efter starten af det latinske navn for tin – stannum – forsynet med endelsen -en, der også kendes fra grafen, som er kulstof i to dimensioner.
\ Fakta
Ordet stanniol er afledt af det latinske navn for tin, stannum. Før i tiden brugte man nemlig tin til at fremstille tyndt metalfolie. I dag er det aluminium, der benyttes.
Hvis man tilsætter fluor-atomer til gitteret af tin-atomer, bliver det endnu bedre. Så kan det todimensionale materiale lede elektrisk strøm uden tab ved temperaturer helt op til 100 grader celsius.
Kun strøm gennem kanterne
»Tin i to dimensioner kan godt blive det nye supermateriale,« fortæller professor Philip Hofmann fra Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet. »Ideen er rigtig god og meget vigtig. Man kan få den perfekte transport af strøm i kanten af sådan nogle materialer.«
Det atomtynde lag af tin tilhører en klasse af materialer, der kaldes topologiske isolatorer. Disse forunderlige materialer er isolatorer indvendig, men kan lede elektrisk strøm på overfladen eller ved kanterne.
I en almindelig elektrisk ledning, for eksempel af kobber, har elektronerne ikke frit løb. De støder hele tiden ind i kobberatomerne og mister energi i form af varme. Men i de todimensionale topologiske isolatorer er det anderledes, og det skyldes en særlig kvantemekanisk effekt, der kaldes kvante-spin-Hall-effekten.
Alle elektronerne tager samme vej
»I kanten kan elektronerne kun bevæge sig i én retning, og det gør de uden at tabe energi. Alle elektronerne skal så at sige igennem den samme kanal, og de kan ikke støde ind i hinanden,« fortæller Philip Hofmann.
»Når man skubber elektroner ind i den ene ende, kommer der elektroner ud i den anden – der er intet energitab på vejen.«
\ Fakta
Man kan tænke på grafen og stanen som hønsenet i atomstørrelse. I grafen er det kulstof-atomer, der er bundet til hinanden i et enkelt atomlag, og i stanen er det tin-atomer. Grafen har en række bemærkelsesværdige egenskaber – det er stærkt, elektrisk ledende og gennemsigtigt – og til at starte med mente forskerne også, at det måske kunne lede strøm perfekt i kanterne. Det kan det dog ikke, så på det punkt er stanen langt mere lovende.
Der er ikke tale om superledere, som kun fungerer ved meget lave temperaturer, og hvor strømmen farer frit igennem hele materialet. De topologiske isolatorer tillader kun strøm at løbe frit på overfladen, hvis der er tale om et 3D-materiale, eller ved kanterne, hvis det er et todimensionalt materiale som det atomtynde tinlag.
Aarhus vil også være med
Indtil nu findes stanen kun i teorien, for forskerne har endnu ikke fremstillet det eksperimentelt og målt, om teorien nu også passer med virkeligheden. Men det gør den nu nok, mener Philip Hofmann.
»Der findes andre lignende materialer, for eksempel dobbeltlag af bismuth, der også er en todimensional topologisk isolator. Og her har folk målt, at strømmen rent faktisk flyder frit i kanterne.«
Der er efterhånden opdaget en del topologiske isolatorer i kølvandet på opdagelsen af grafen i 2004, og Philip Hofmann har forsket i dem i årevis. Han er overbevist om, at der er flere på vej, og han vil gerne være med til at opdage dem, fremstille dem og måle deres egenskaber.
»På Aarhus Universitet kunne vi godt tænke os at gå i gang med en større forskningsindsats, hvor vi kunne syntetisere og undersøge de nye todimensionale materialer. Det bliver en meget vigtig forskningsretning. De topologiske isolatorer er fremtiden.«
