Az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetén belül működő, Nemes-Incze Péter vezette Topológia Nanoszerkezetekben Lendület Kutatócsoport kimutatta, hogy egy nehézfémekből álló kétdimenziós kristály, a jacutingait akár szobahőmérsékleten is képes lenne a veszteségmentes elektromos vezetésre. Ez azért is jelentős, mert az újonnan felfedezett topologikus szigetelő a jövőben fontos szerepet játszhat az alacsony fogyasztású elektromos áramkörök kialakításában, szupravezető anyagokkal kombinálva pedig lehetőség nyílhat topologikus kvantumszámítógépekben való alkalmazására is.

Az elmúlt 10 évben a tudományos közösség jelentős erőfeszítéseket tett olyan anyagok felderítése érdekében, amelyekben akár szobahőmérsékleten is megfigyelhető a veszteségmentes elektromos vezetés. Ezt a célt tűzte ki magának a Lendület csoport is, és a Wigner Fizikai Kutatóközpont, az ELTE TTK Biológiai Fizika tanszék, valamint a cseh geológiai intézet munkatársaival együttműködésben igazi áttörést értek el. A kísérleti és elméleti kutatás célpontja egy a természetben is előforduló ásvány, a platina-higany-szelenid (Pt2HgSe3, tudományos nevén: jacutingait) lett.

Széles körben ismert, hogy a grafén felfedezése – mely egy kétdimenziós, egy atomnyi vékony kristály – teljesen új kutatási irányt indított el az anyagtudományban. A réteges, 2D-anyagok vizsgálata jelentős új felfedezésekkel és potenciális gyakorlati alkalmazhatósággal kecsegtet azóta. Talán kevésbé ismert, hogy a grafén egy hasonlóan fontos új kutatási terület kiindulópontját képezte: a topologikus szigetelőkét (ezért adták a 2016-os fizikai Nobel-díjat).

A topologikus szigetelők olyan kristályok, amelyek a belsejükben elektromosan szigetelők, a felületükön és éleiken viszont vezetik az elektromos áramot. E vezető csatornák egyik fontos tulajdonsága az, hogy veszteségmentesen vezetik az elektromos áramot, ellentétben az olyan megszokott elektromos vezetőkkel, mint például a réz vagy az alumínium. 2005-ben Charles Kane és Eugene Mele elméleti számolások által megmutatták, hogy a grafén valójában egy topologikus szigetelő, ha figyelembe vesszük, hogy a benne száguldozó elektronok kis mágnesként viselkednek, amelyet spinnek nevezünk. Sajnos a gyakorlatban szinte lehetetlen megfigyelni a veszteségmentes elektromos vezetést a grafén szélein, mivel a Kane-Mele modell egy fontos paramétere – az ún. spin-pálya kölcsönhatás – elenyészően kismértékű a grafént képező szénatomokban. Ez azt eredményezi, hogy a topologikus elektronvezetés kísérletben történő megfigyeléséhez olyan alacsony hőmérsékletre van szükség (mikro-Kelvin), ami laboratóriumban egyelőre elérhetetlen.

Ábra: Spin-polarizált, az elektromos áramot veszteségmentesen vezető csatornák (piros: fel spin, zöld: le spin) a Pt2HgSe3 kristály élein

A kutatásban vizsgált ásvány nevét arról a brazil aranybányáról kapta (Jacutinga), ahol először megtalálták mintegy tíz évvel ezelőtt. Jelenleg már mesterségesen is elő tudják állítani – ilyet vizsgáltak a magyar kutatók is. Az anyagot felépítő platina- és higanyatomok a grafénhez hasonló hatszöges rácsban helyezkednek el. Ez a nehézfémekből álló méhsejtrács határozza meg a kristály elektromos tulajdonságait. A lényeges különbség a grafénhez képest az, hogy a szénnel ellentétben a higany és a platina spin-pálya kölcsönhatása nagyságrendekkel erősebb.

A Lendület csoportban dolgozó diáknak sikerült megmutatni, hogy az anyag – a grafithoz hasonlóan – a grafénkutatásból már jól ismert technikák segítségével egyedi atomi rétegekre választható szét. A kutatók pásztázó alagútmikroszkópos mérések révén atomi skálán vizsgálták az anyag elektromos tulajdonságait. Ennek eredményeként sikerült kimutatni a kristály szélein a topologikus, elektromosan vezető élcsatornákat, valamint fény derült arra is, hogy a nagy spinpálya-kölcsönhatásnak köszönhetően ez az anyag akár szobahőmérsékleten is topologikus szigetelőként viselkedik, ellentétben a grafénnel. A platina-higany-szelenid lényegében tehát megvalósítja a rég keresett Kane-Mele topologikus szigetelő állapotot.