Grå tin viser nye topologiske elektroniske egenskaber i 3D

I en overraskende ny opdagelse, alfa-tin, almindeligvis kaldet grå tin, udviser en ny elektronisk fase, når dens krystalstruktur er anstrengt, lægger det i en sjælden ny klasse af 3D -materialer kaldet topologiske Dirac semimetals (TDS'er). Kun to andre TDS -materialer er kendt for at eksistere, opdaget så sent som i 2013. Alpha-tin slutter sig nu til denne klasse som sit eneste element med et enkelt element.

Denne opdagelse giver løfte om ny fysik og mange potentielle anvendelser inden for teknologi. Resultaterne er Caizhi Xus arbejde, en fysikstuderende ved University of Illinois i Urbana-Champaign, arbejder under U. af I. Professor Tai-Chang Chiang og i samarbejde med forskere ved Advanced Light Source ved Lawrence Berkeley National Laboratory og seks andre institutioner internationalt.

TDS'er udviser elektroniske egenskaber, der ligner dem for de nu meget undersøgte topologiske isolatorer (TI'er) på deres overflader. Overfladerne på TI'er tillader elektroner at lede frit som et metal, mens "bulk" eller interiør opfører sig som en isolator. Overfladeelektronerne opfører sig som 2D masseløse spin-polariserede Dirac-fermioner, der er robuste mod ikke-magnetiske urenheder, hvilket giver potentielle applikationer i spintronic-enheder og fejltolerant kvanteberegning.

Derimod, bulkelektronerne i TDS opfører sig som masseløse Dirac fermioner i alle tre dimensioner, hvilket fører til yderligere muligheder for ny fysisk adfærd.

Xu forklarer, "TDS'er er af dyb interesse for fysikere af kondenseret stof, primært fordi de udviser en række nye fysiske egenskaber, herunder ultrahøj transportørmobilitet, kæmpe lineær magnetoresistans, chiral anomali, og nye kvantesvingninger. For det andet, denne klasse materialer kan realisere mange interessante topologiske faser - under kontrollerede forhold, materialet kan undergå faseovergange og kan blive en topologisk isolator, et Weyl -halvmetal, eller en topologisk superleder. "

Tin har to velkendte allotroper:ved 13,2 ° Celsius og derover, hvid tin, eller beta-tin, er metallisk. Under den temperatur, atomstrukturen af ​​tinovergange, og materialet bliver grå tin, eller alfa-tin, som er halvmetallisk. I tynde film dyrket på et substrat såsom indiumantimonid (InSb), imidlertid, overgangstemperaturen for tin stiger til 200 ° C, hvilket betyder, at alfa-tin forbliver stabilt godt over stuetemperatur.

Normalt, alfa-tins diamant-kubiske krystalstruktur udviser en almindelig halvmetallisk fase-og materialet har ingen almindelige anvendelser på nuværende tidspunkt. Faktisk, grå tin kan være problematisk i mange applikationer, der involverer tin - det såkaldte "tin pest" problem er dannelsen af ​​grå tin, der forårsager opløsning af dele, der indeholder hvid tin.

I deres eksperiment, Xu et al. konstrueret en belastning af materialet ved at dyrke alfa-tin-prøver i lag på et substrat af et andet krystallinsk materiale, InSb, som har en lidt anden gitterkonstant.

"Det gittermangel matcher belastning, eller kompression, i alfa-tin, "Xu forklarer videre." Man troede, at belastning ville åbne et båndgab i grå tin og gøre det til et TI. I et par nylige undersøgelser observerede forskere topologiske overfladetilstande i anstrengt tin, men de observerede ikke det stammeinducerede båndgab, fordi de ikke kunne få adgang til ledningsbåndet. I dette studie, vi brugte kaliumdoping og med denne enkle metode kunne vi nå konduktansbåndet. Vi var i stand til at se den gapløse og lineære båndspredning, der er kendetegnende for et Dirac -halvmetal.

"Denne opdagelse er lidt uventet. Jeg besluttede mig for at studere materialet på grund af dens kendte TI -fase. Når jeg gravede ind i de eksperimentelle resultater og udførte nogle teoretiske beregninger, hvad jeg fandt ud af er, at alfa-tin under en trykstamme ikke er en isolator, som man havde troet. Det viser sig at være et Dirac -halvmetal. Vores beregninger viser også, at det kun er under en trækbelastning, at alfa-tin bliver et TI. "

Chiang mener, at disse fund vil åbne nye forskningsveje:"Caizhi Xus arbejde illustrerer, at interessant ny fysik stadig kan findes i simple fælles materialer, såsom grå tin, som har været kendt og undersøgt i årtier. "

"Det er klart fra denne undersøgelse, at belastningsteknik kan åbne mange muligheder, "Chiang fortsætter." Min gruppe undersøger i øjeblikket en anden måde at anvende belastning på, ved mekanisk at strække en prøve. Stammen vil være ensartet - kun i en retning - og den kan afstemmes, men begrænset af prøvebrud. "

Mennesket har udvundet og brugt tin i legeringer siden bronzealderen, c. 3000 f.Kr. Før fremkomsten af ​​aluminiumsdåser, dåser, som faktisk var stål foret med tin, blev brugt til konservering af mad. Med denne opdagelse, alfa-tin kan vise sig at være et yderst nyttigt materiale i fremtidige teknologier.

Xu -aktier, "Potentielle anvendelser af alfa-tin som et topologisk Dirac-halvmetal kan omfatte at drage fordel af dets høje bærermobilitet til at generere ultrahurtige elektroniske enheder. Derudover kan den gigantiske magnetomodstand kan være nyttig til udvikling af ultrakompakte lagerenheder, som computer harddiske.

"Desuden, dette materiale kan være en platform for yderligere grundforskning vedrørende optiske egenskaber, eller at transportere ejendomme, herunder superledning. Der er endda potentiale for, at det kan bruges som en platform til at realisere Majorana fermioner. Jeg tror, ​​at vores nye fund vil være af interesse for mange fysikere. "

Disse resultater offentliggøres den 4. april, 2017 Fysisk gennemgangsbreve , i artiklen "Elementærtopologisk Dirac semimetal α-Sn på InSb."