Kunstigt topologisk stof åbner nye forskningsretninger

Et internationalt team af forskere har skabt en ny struktur, der tillader tuning af topologiske egenskaber på en sådan måde, at de tænder eller slukker for denne unikke adfærd. Strukturen kunne åbne muligheder for nye undersøgelser af egenskaberne ved topologiske materielle tilstande.

"Dette er en spændende ny retning inden for topologisk forskning, "sagde M. Zahid Hasan, professor i fysik ved Princeton University og en efterforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien, der ledede undersøgelsen, som blev offentliggjort den 24. marts i tidsskriftet Videnskab fremskridt . "Vi udvikler nye topologiske tilstande, der ikke forekommer naturligt, åbner op for adskillige eksotiske muligheder for at kontrollere disse materialers adfærd."

Den nye struktur består af skiftende lag af topologiske og normale, eller trivielt, isolatorer, en arkitektur, der tillader forskerne at tænde eller slukke strømmen gennem strukturen. Evnen til at kontrollere strømmen antyder muligheder for kredsløb baseret på topologisk adfærd, men måske endnu vigtigere præsenterer en ny kunstig krystal gitterstruktur til undersøgelse af kvanteadfærd.

Teorier bag stoffets topologiske egenskaber var emnet for Nobelprisen i fysik i 2016 tildelt Princeton Universitys F. Duncan Haldane og to andre forskere. En klasse stof er topologiske isolatorer, som er isolatorer på indersiden, men tillader strøm at strømme uden modstand på overfladerne.

I den nye struktur, grænseflader mellem lagene skaber et endimensionelt gitter, hvor topologiske tilstande kan eksistere. Gitterets endimensionelle karakter kan opfattes som om man skulle skære ind i materialet og fjerne en meget tynd skive, og se derefter på den tynde kant af skiven. Denne endimensionelle gitter ligner en kæde af kunstige atomer. Denne adfærd er fremtrædende, fordi den kun opstår, når mange lag er stablet sammen.

Ved at ændre sammensætningen af ​​lagene, forskerne kan kontrollere hoppen af ​​elektronlignende partikler, kaldet Dirac fermions, gennem materialet. For eksempel, ved at gøre det trivielle isolatorlag relativt tykt - stadig kun omkring fire nanometer - kan Dirac fermionerne ikke rejse gennem det, gør hele strukturen effektivt til en triviel isolator. Imidlertid, hvis det trivielle isolatorlag er tyndt - cirka et nanometer - kan Dirac fermionerne tunnelere fra et topologisk lag til det næste.

For at forme de to materialer, Princeton-teamet arbejdede med forskere ved Rutgers University ledet af Seongshik Oh, lektor i fysik, der i samarbejde med Hasan og andre viste i 2012 i værker udgivet i Fysisk gennemgangsbreve at tilføje indium til en topologisk isolator, vismut selenid, fik det til at blive en triviel isolator. Før det blev bismuthselenid (Bi2Se3) teoretisk og eksperimentelt identificeret som en topologisk isolator af Hasans team, som blev offentliggjort i Natur i 2009.

"Vi havde vist det afhængigt af hvor meget indium du tilføjer, det resulterende materiale havde denne flotte indstillelige ejendom fra trivial til topologisk isolator, "Åh sagde, med henvisning til undersøgelsen fra 2012.

Kandidatstuderende Ilya Belopolski fra Princeton og Nikesh Koirala fra Rutgers kombinerede to state-of-the-art teknikker med ny instrumenteringsudvikling og arbejdede sammen om lagdeling af disse to materialer, vismut selenid og indium vismut selenid, at designe den optimale struktur. En af udfordringerne var at få gitterkonstruktionerne i de to materialer til at matche, så Dirac fermionerne kan hoppe fra det ene lag til det næste. Belopolski og Suyang Xu arbejdede sammen med kolleger ved Princeton University, Lawrence Berkeley National Laboratory og flere institutioner til at bruge højopløselig vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi til at optimere Dirac fermions opførsel baseret på en vækst til måling feedback loop.

Selvom der ikke findes naturligt topologiske lignende tilstande, forskerne bemærker, at analog adfærd kan findes i en kæde af polyacetylen, som er en kendt model for endimensionel topologisk adfærd som beskrevet af Su-Schrieffer-Heegers teoretiske model af en organisk polymer fra 1979.

Forskningen præsenterer et angreb på at lave kunstige topologiske materialer, sagde Hasan. "I naturen, uanset hvilket materiale der er topologisk isolator eller ej du sidder fast med det, " sagde Hasan. "Her tuner vi systemet på en måde, så vi kan beslutte, i hvilken fase det skal eksistere; vi kan designe den topologiske adfærd. "

Evnen til at kontrollere bevægelsen af ​​lyslignende Dirac-fermioner kan i sidste ende få fremtidige forskere til at udnytte den modstandsløse strøm af strøm, der ses i topologiske materialer. "Disse typer af topologisk afstembare heterostrukturer er et skridt i retning af applikationer, at lave enheder, hvor topologiske effekter kan udnyttes, Sagde Hasan.

Hasan-gruppen planlægger yderligere at udforske måder at justere tykkelsen på og udforske de topologiske tilstande i forbindelse med kvante-Hall-effekten, superledning, magnetisme, og Majorana og Weyl fermion tilstande af stof.