En fysikskat gemt i et tapetmønster

Et internationalt team af forskere har opdaget en ny, eksotisk form af isolerende materiale med en metallisk overflade, der kunne muliggøre mere effektiv elektronik eller endda kvanteberegning. Forskerne udviklede en ny metode til analyse af eksisterende kemiske forbindelser, der er afhængig af de matematiske egenskaber som symmetri, der styrer de gentagende mønstre, der ses i daglige tapeter.

"Topologiens skønhed er, at man kan anvende symmetriprincipper til at finde og kategorisere materialer, "sagde B. Andrei Bernevig, en professor i fysik ved Princeton.

Forskningen, optræder 20. juli i journalen Videnskab , involveret et samarbejde mellem grupper fra Princeton University, University of Pennsylvania (Penn), Sungkyunkwan Universitet, Freie Universität Berlin og Max Planck Institute of Microstructure Physics.

Opdagelsen af ​​denne form for bly-strontium (Sr ₂ Pb ₃ ) afslutter en årti lang søgning efter et undvigende tredimensionelt materiale, der kombinerer de unikke elektroniske egenskaber ved todimensionel grafen og tredimensionelle topologiske isolatorer, en fase af stof opdaget i 2005 i uafhængige værker af Charles Kane på Penn og Bernevig i Princeton.

Nogle forskere har teoretiseret, at topologiske isolatorer, som isolerer på deres indre, men leder elektricitet på deres overflade, kunne tjene som grundlag for superhurtig kvanteberegning.

"Du kan tænke på en topologisk isolator som et Hersheys kys, "sagde Kane, en tilsvarende forfatter på papiret. "Chokoladen er isolatoren og folien er en leder. Vi har forsøgt at identificere nye klasser af materialer, hvor krystallsymmetrier beskytter den ledende overflade. Det, vi har gjort her, er at identificere den enkleste form for topologisk krystallinsk isolator. "

Det nye værk demonstrerer, hvordan symmetrierne ved visse todimensionelle overflader, kendt som de 17 tapetgrupper for deres tapetlignende mønster, begrænse det rumlige arrangement (topologi) af tredimensionelle isolatorer.

I en konventionel tredimensionel topologisk isolator, hver todimensionel overflade udviser en enkelt karakteristisk gruppe af tilstande med kegellignende dispersion. Disse kegler ligner elementerne på grafen kaldet Dirac -kegler, funktioner, der gennemsyrer materialet og andre todimensionale Dirac-halvmetaller med deres usædvanlige elektroniske transportkvaliteter, men de er forskellige, fordi grafen besidder i alt fire Dirac -kegler i to par, der "limes" sammen.

Kane havde mistanke om, at med krystalsymmetrier, en anden slags topologisk isolator kunne eksistere med et enkelt par limede Dirac -kegler. "Det, jeg indså, var, at et enkelt par Dirac-kegler er umulige i et rent todimensionalt materiale, men det kan være muligt på overfladen af ​​en ny slags topologisk isolator. Men da jeg forsøgte at opbygge en sådan tilstand, de to kogler kom altid ugluede. "

En løsning opstod, da Benjamin Wieder, derefter en kandidatstuderende i Kanes gruppe og nu en Princeton -postdoktor, besøgte Princeton. I Princeton, Bernevig og kollega Zhi Jun Wang havde netop opdaget "timeglasisolatorer"-topologiske isolatorer med mærkelige mønstre af sammenlåsende timeglaslignende tilstande-som Wieder anerkendte som værende, som om du havde pakket en tredimensionel krystal med en speciel slags mønstret tapet.

"Vi indså, at du ikke kun kunne få timeglasisolatoren, men også denne særlige Dirac -isolator, ved at finde en krystal, der lignede at den var dækket af det rigtige tapet, "sagde Wieder.

I særdeleshed, de erkendte, at et limet par Dirac -kegler kunne stabiliseres på krystaloverflader, der har to skærende linjer, langs hvilke overfladerne ser identiske ud efter at være vendt og drejet vinkelret. Disse linjer, kendt som glidereflektioner, karakterisere de såkaldte usymmorfe tapetgrupper, og dermed give navne til denne nye fase, som holdet kaldte en "usymmorfisk Dirac -isolator."

Forskerne gik hurtigt på arbejde med at anvende matematisk stringens på Wieders inspiration, resulterer i en ny, tapet symmetri-baseret metode til diagnosticering af bulk topologi af tredimensionelle krystaller.

"De grundlæggende principper er enkle nok til, at vi skitserede dem på servietter den aften, "sagde medforfatter Barry Bradlyn, en associeret forsker i Princeton Center for Theoretical Science (PCTS).

"Men de er ikke desto mindre robuste nok til at forudsige og forstå en zoologisk have af nye topologiske faser i virkelige materialer, "sagde Wang, en postdoc forsker i fysik.

Opdagelsen gav forskerne mulighed for direkte at forholde symmetrien af ​​en overflade til tilstedeværelsen af ​​ønskede topologiske overfladetilstande for første gang, sagde Penn's Andrew Rappe, en anden medforfatter på papiret. "Dette tillader et elegant og umiddelbart nyttigt middel til at designe ønskelige overflade- og grænsefladetilstande."

For at identificere Dirac -isoleringsfasen i naturen, forskerne beregnede de elektroniske strukturer af hundredvis af tidligere syntetiserede forbindelser med overflader med to glidelinjer (tapetgrupper pgg og p4g), før de identificerede den nye topologi i bly-strontium.

Beregningskemikerne "vidste, at de ledte efter en nål i en høstak, men ingen gad at fortælle dem, hvor lille nålen kunne være, sagde Jennifer Cano, en associeret forsker ved PCTS.

Efterhånden som endnu mere eksotiske topologiske isolatorer opdages, rollen som tapetgruppesymmetri, og af det særlige, grafenlignende kegler i Dirac-isolatoren, er blevet yderligere størknet.

"Når du kan opdele en ægte overflade Dirac-kegle, mens du bevarer symmetri med tid-vending, der sker noget helt særligt, "sagde Bernevig." Du får tredimensionelle isolatorer, hvis todimensionelle overflader også er en slags topologisk isolator. "Sådanne faser er for nylig blevet forudsagt i vismutkrystaller og molybdæn ditellurid (MoTe2) af flere medlemmer af samarbejdet.

Desuden, med brug af en ny teori, topologisk kvantekemi, forskerne håber at finde mange flere af disse eksotiske faser.

"Hvis vi kunne male disse materialer med det rigtige tapet, vi ville se flere Dirac -isolatorer, sagde Wieder, "men nogle gange, Det forkerte tapet er også interessant. "