Teoretikere foreslår ny klasse af topologiske metaller med eksotiske elektroniske egenskaber

Forskere ved Princeton, Yale, og universitetet i Zürich har foreslået en teoribaseret tilgang til at karakterisere en klasse af metaller, der besidder eksotiske elektroniske egenskaber, der kan hjælpe videnskabsmænd med at finde andre, lignende begavede materialer.

Udgivet i tidsskriftet Fysisk gennemgang X , undersøgelsen beskrev en ny klasse af metaller baseret på deres symmetri og en matematisk klassifikation kendt som et topologisk tal, som forudsiger særlige elektroniske egenskaber. Topologiske materialer har tiltrukket intens forskningsinteresse siden begyndelsen af ​​2000'erne og kulminerede med sidste års Nobelpris i fysik tildelt tre fysikere, herunder Princeton professor F. Duncan Haldane, for deres teoretiske opdagelser på dette område.

"Topologisk klassificering er en meget generel måde at se på materialers egenskaber, sagde Lukas Muechler, en Princeton-kandidatstuderende i professor Roberto Cars laboratorium og hovedforfatter på artiklen.

En populær måde at forklare denne abstrakte matematiske klassifikation på involverer morgenmadsprodukter. I topologisk klassificering, donuts og kaffekopper er ækvivalente, fordi de begge har ét hul og let kan deformeres ind i hinanden. I mellemtiden kan donuts ikke deformeres til muffins, hvilket gør dem uensartede. Antallet af huller er et eksempel på en topologisk invariant, der er ens for doughnut og kaffekoppen, men skelner mellem doughnut og muffin.

"Idéen er, at du er ligeglad med detaljerne. Så længe to materialer har de samme topologiske invarianter, vi kan sige, at de er topologisk ækvivalente, " han sagde.

Muechler og hans kollegers interesse for den topologiske klassificering af denne nye klasse af metaller blev udløst af en ejendommelig opdagelse i Princeton-professor Robert Cavas nabolaboratorium. Mens de søger efter superledning i en krystal kaldet WTe2, Cava-laboratoriet fandt i stedet ud af, at materialet kontinuerligt kunne øge sin modstand som reaktion på stadig stærkere magnetfelter - en egenskab, der kunne bruges til at bygge en sensor af magnetiske felter.

Oprindelsen af ​​denne ejendom var, imidlertid, mystisk. "Dette materiale har meget interessante egenskaber, men der havde ikke været nogen teori omkring det, " sagde Muechler.

Forskerne overvejede først arrangementet af atomerne i WTe2-krystallen. Mønstre i arrangementet af atomer er kendt som symmetrier, og de falder i to fundamentalt forskellige klasser - symmorfe og ikke-symmorfe - som fører til dybe forskelle i elektroniske egenskaber, såsom transport af strøm i et elektromagnetisk felt.

Mens WTe2 er sammensat af mange lag af atomer stablet oven på hinanden, Bilens team fandt ud af, at et enkelt lag af atomer har en særlig ikke-symmorf symmetri, hvor atomarrangementet er uændret overordnet, hvis det først roteres og derefter translateres med en brøkdel af gitterperioden (se figur).

Efter at have etableret symmetrien, forskerne matematisk karakteriserede alle mulige elektroniske tilstande med denne symmetri, og klassificeret de tilstande, der glat kan deformeres til hinanden, som topologisk ækvivalente, ligesom en doughnut kan deformeres til en kop.

Fra denne klassifikation, de fandt ud af, at WTe2 tilhører en ny klasse af metaller, som de opfandt ikke-symmorfe topologiske metaller. Disse metaller er karakteriseret ved et andet elektronnummer end de ikke-symmorfe metaller, der tidligere er blevet undersøgt.

I ikke-symmorfe topologiske metaller, de strømførende elektroner opfører sig som relativistiske partikler, dvs. partikler, der bevæger sig med næsten lysets hastighed. Denne egenskab er ikke så modtagelig for urenheder og defekter som almindelige metaller, gør dem attraktive kandidater til elektroniske enheder.

Den abstrakte topologiske klassifikation fik også forskerne til at foreslå nogle forklaringer på nogle af de fremragende elektroniske egenskaber ved bulk WTe2, vigtigst af alt dens perfekte kompensation, hvilket betyder, at den har lige mange huller og elektroner. Gennem teoretiske simuleringer, forskerne fandt ud af, at denne egenskab kunne opnås i den tredimensionelle krystallinske stabling af WTe2-monolagene, hvilket var et overraskende resultat, sagde Muechler.

"Normalt i teoriforskning er der ikke meget, der er uventet, men det dukkede lige ud, " sagde han. "Denne abstrakte klassificering førte os direkte til at forklare denne egenskab. I denne forstand, det er en meget elegant måde at se på denne forbindelse, og nu kan du faktisk forstå eller designe nye forbindelser med lignende egenskaber."

Nylige fotoemissionseksperimenter har også vist, at elektronerne i WTe2 absorberer højrehåndsfotoner anderledes end venstrehåndede fotoner. Teorien formuleret af forskerne viste, at disse fotoemissionseksperimenter på WTe2 kan forstås ud fra de topologiske egenskaber af denne nye klasse af metaller.

I fremtidige undersøgelser, teoretikerne ønsker at teste, om disse topologiske egenskaber også er til stede i atomisk tynde lag af disse metaller, som kunne eksfolieres fra en større krystal for at lave elektroniske enheder. "Undersøgelsen af ​​dette fænomen har store konsekvenser for elektronikindustrien, men det er stadig i sine spæde år, " sagde Muechler.