ژرمانن (گرافنی که به جای کربن ژرمانیوم دارد) هنگامی که روی زیرلایه مولیبدن دی‌سولفید قرار داده شود، می‌تواند به صورت ایزوله‌کننده توپولوژیکی باقی بماند.

به تازگی پژوهش‌گران چندتا از «پسرعموهای» گرافن را ساخته‌اند: برگه‌هایی به ضخامت یک اتم متشکل از عناصر گروه IV، مانند سیلیسن (ساخته‌شده از سیلیکون) و ژرمانن (ژرمانیوم). پیش‌بینی می‌شود این گونه مواد به لحاظ توپولوژیکی ایزوله‌کننده باشند، یعنی موادی که در داخلشان عایق هستند ولی حالت‌های سطحشان رساناست. به هرحال، ژرمانن و سیلیسن تاکنون بر زیرلایه‌های فلزی ساخته شده‌اند، که رسانش آن‌ها امکان مطالعه ویژگی‌های توپولوژیکی-ایزوله‌کنندگی آن‌ها را فراهم می‌کرد. دو پژوهش در حال حاضر نشان می‌دهد که ژرمانن می‌تواند به صورت باثباتی بر زیرلایه عایق MoS₂ رشد داده شود و در عین حال ایزوله‌کننده توپولوژیکی بماند.

L. Zhang و هم‌کاران Phys. Rev. Lett. (2016)

تفاوت میان ژرمانن و گرافن در جفت‌شدگی اسپین-مدار (SOC) است که لازم است شکاف انرژی مورد نیاز برای ایزوله‌کننده توپولوژیکی ایجاد گردد. SOC ژرمانن بسیار قوی‌تر از SOC گرافن است، اما هنگامی که الکترون‌های ژرمانن با الکترون‌های زیرلایه پیوند برقرار می‌کنند، قابل کاهش است.

محاسباتی که طاهر املاکی و پائول کلی از دانشگاه توئنته هلند و هم‌کارانشان انجام داده‌اند نشان می‌دهد هنگامی که زیرلایه MoS₂ مورد استفاده قرار می‌گیرد، افت SOC می‌تواند کنترل شود. نویسندگان این پژوهش دریافتند که در دولایه ژرمانن-MoS₂ شکاف انرژی عایق کوچکی باقی می‌ماند و هنگامی که ژرمانن بین دو لایه MoS₂ قرار می‌گیرد، حتی شکاف انرژی بزرگ‌تری خواهد داشت. در هر دو مجموعه محاسبات ژرمانن به صورت ایزوله‌کننده توپولوژیکی عمل کرد.

در مطالعه‌ای مجزا، لیجی ژانگ و هم کارانش باز از دانشگاه توئنته، ژرمانن را روی Mos₂ رشد دادند و با استفاده از آزمایش‌های تونلی روبشی (STM) رفتار الکترونی آن را مشخصه‌‌یابی کردند. چگالی حالت‌های الکترونی اندازه‌گیری‌شده ماده، نشان می‌داد که ماده‌ای «دیراکی» است که در آن الکترون‌ها به شکل ذراتی بدون جرم در دو جهت حرکت می‌کنند. بر اساس یافته‌های این گروه، ژرمانن ماهیت دیراکی خود را حفظ می‌کند، زیرا الکترون‌های آن تنها بصورت ضعیفی و از طریق پیوندهای واندروالس با زیرلایه MoS₂ جفت می‌شود. آزمایش‌های پیش‌بینی‌شده در دماهای پایین نشان خواهد داد آیا همان‌طور که گروه پائول کِلی پیش‌بینی کردند، ژرمانن ایزوله‌کننده توپولوژیکی هست یا خیر.

نویسنده: Matteo Rini دستیار ویراستار نشریه فیزیک است.

منبع: A Good Match for Germanene

مرجع: Z2 Invariance of Germanene on MoS2 from First Principles