Een team onderzoekers van de Universiteit van Tokyo heeft een nieuw materiaal gedemonstreerd dat verliezen in de energiedistributie tot het verleden kan doen behoren. Het meest verrassende is dat de voorgestelde methode voor het oplossen van dit klassieke energieprobleem gebaseerd is op het realiseren van een nogal exotisch type magnetische halfgeleider waarvan al meer dan 10 jaar geleden de theorie beschreven werd: een magnetische topologische isolator.
Energiebesparing is een van de speerpunten van de hedendaagse wetenschap. Van de ontwikkeling van alternatieve energiebronnen zoals wind- en zonne-energie tot het verbeteren van de infrastructuur van de elektriciteitsvoorziening: de wetenschap is er op diverse terreinen mee bezig. Een van de speerpunten van afgelopen jaren is het voorkomen van energieverlies in de distributieketen, dat volgens sommige schattingen op kan lopen tot 10% van alle opgewekte energie. Het onderzoeksteam heeft een nieuw materiaal gedemonstreerd — een magnetische topologische isolator — die dat verlies kan voorkomen.
Het verrichte werk is nauw gerelateerd aan een mijlpaal die in de 80-er jaren werd bereikt: het zogenaamde kwantum Hall effect. Dat effect is bekend om zijn opwekking van verliesvrije elektriciteitskanalen, maar er zijn grote, onhandige magneten voor nodig die voor de benodigde veldsterkte van 100.000 maal het aardmagnetisch veld kunnen zorgen. Het onderzoeksteam heeft dat probleem omzeild door gebruik te maken van een exotisch type halfgeleider dat volgens berekening een zelfde effect teweeg moet kunnen brengen. Maar in tegenstelling tot bij het kwantum Hall effect komt bij dit effect, bekend als het Afwijkende kwantum Hall effect, het magnetisch veld van de halfgeleider zelf en niet van een externe bron. In het hart van dit nieuwe fenomeen vindt interactie plaats tussen magnetische ionen en de stroomvoerende deeltjes van de topologische isolator (bekend als Dirac fermionen), waarvan de laatste uniek zijn omdat ze zich gedragen alsof ze geen massa hebben.
De door het team geproduceerde apparaten vormen een overtuigend bewijs dat het principe werkt, waarmee aangetoond wordt dat dit nieuwe type verliesvrije transport toegepast kan gaan worden in transistor prototypes. Hoewel er nu nog een cryogene omgeving voor nodig is (superkoeling), beloven verbeteringen in de materialen een verhoogde stabiliteit van de magneten, waardoor het mogelijk is om ze bij hogere temperaturen te laten werken. Door het overbodig worden van externe factoren zoals magnetische velden en straks ook de superkoeling, vertegenwoordigen deze nieuwe magnetische topologische isolatoren waarschijnlijk het meest efficiënte pad naar modernisering van de energiedistributie door af te rekenen met de transportverliezen.