Hvordan røntgenstråler skubbede topologisk stofforskning over toppen

Mens du bruger røntgenstråler genereret af den avancerede lyskilde (ALS), et synkrotronanlæg ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), at studere et vismutholdigt termoelektrisk materiale, der kan omdanne varme til elektricitet, fysiker M. Zahid Hasan fra Princeton University så, at noget forstyrrede det forventede syn på elektronernes adfærd inde i materialet.

At vide, hvordan elektroner bevæger sig i dette materiale, blev søgt som en nøgle til at dechifrere, hvordan det fungerede, så denne interferens – som han og hans team observerede for mere end ti år siden under et eksperiment, der brugte en røntgenbaseret teknik kaldet ARPES (vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi) – var et problem … i starten.

"Siden 2004, Jeg var involveret i denne forskning på udkig efter en bedre forståelse af bismuth-baserede termoelektriske materialer, blandt andet, " sagde Hasan.

Omkring 2007, efter at have gennemført flere røntgeneksperimenter ved ALS og andre synkrotroner, og efter at have opnået en vis forståelse af teorien relateret til hans holds observationer, det ville blive klart for Hasan, at denne forhindring faktisk var en opdagelse:En, der ville udløse en revolution inden for materialeforskning, der fortsætter i dag, og det kan i sidste ende føre til nye generationer af elektronik og kvanteteknologier.

Topologisk stofforskning er nu et blomstrende forskningsfelt på ALS, med flere medarbejdere dedikeret til at understøtte røntgenteknikker, der i høj grad fokuserer på dets egenskaber.

"Siden 2005, noget på overfladen irriterede mig en del, " sagde Hasan, en fysikprofessor i Princeton, som i slutningen af ​​2016 blev et gæstefakultetsmedlem ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og en Visiting Miller Professor ved UC Berkeley. "Jeg kunne ikke slippe af med overfladetilstandene."

Tilbage til Princeton, Hasan indledte en samtale med en anden fysikprofessor, Duncan Haldane, og han talte også med Charles Kane, en fysikprofessor ved det nærliggende University of Pennsylvania, for deres kollektive teoretiske indsigt om de overfladeeffekter, han så i nogle bismuthholdige materialer. "På det tidspunkt var jeg ikke klar over de teoretiske forudsigelser."

De diskuterede teoretisk arbejde, noget af det går flere årtier tilbage, der havde udforsket bizarre og elastiske "topologiske" tilstande, hvor elektroner kunne bevæge sig omkring overfladen af ​​et tyndt materiale næsten uden modstand - som i en traditionel superleder, men med en anden mekanisme.

Det teoretiske arbejde gav kun lidt fingerpeg om, hvordan man finder effekterne i de materialer, der udviser dette fænomen, selvom. Så Hasan begav sig ud på en vej, der krydsede ind i kvanteteoriens felter, partikelfysik, og kompleks matematik.

"Jeg var nødt til at oversætte al den abstrakte matematik til disse eksperimenter, sagde han. Det var som at oversætte fra et fremmedsprog.

Blink frem til oktober 2016, og denne gang beskrev Haldane sit tidlige teoretiske arbejde under en Nobelpris-pressekonference. Haldane delte 2016 Nobelprisen i fysik med David Thouless fra University of Washington (en tidligere postdoc-forsker ved Berkeley Lab), og J. Michael Kosterlitz fra Brown University for deres arbejde med "teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof."

Haldane havde på tidspunktet for offentliggørelsen af ​​Nobelprisen sagt, "Jeg skrev i det første papir, at det er usandsynligt, at det er noget, nogen kunne lave." Hans arbejde, han sagde, var en "sovende", der "sad rundt som en interessant legetøjsmodel i meget lang tid - ingen vidste helt, hvad de skulle stille op med den."

Det, der hjalp med at bringe den "legetøjsmodel" ud i livet, var senere teorier fra Kane og samarbejdspartnere, og innovative ARPES-undersøgelser ved ALS og andre synkrotroner, der direkte undersøgte eksotiske topologiske tilstande i nogle materialer.

Synkrotroner som ALS har snesevis af strålelinjer, der producerer fokuserede røntgenstråler og andre typer lysstråler til en række eksperimenter, der udforsker egenskaberne af eksotiske materialer og andre prøver i små skalaer, og ARPES giver et vindue til materialers elektronegenskaber.

Nobelkomiteen, i sit støttemateriale til prisen, havde citeret tidlige eksperimenter fra Hasans hold ved ALS på materialer, der udviser topologiske isolatorfaser. En topologisk isolator fungerer som en elektrisk leder på overfladen og en isolator (uden elektrisk flow) indeni.

Zahid Hussain, afdelingsdeputeret ved ALS sagde, "Hasan er en exceptionel videnskabsmand med en dyb forståelse af både teori og eksperimenter. Han er årsagen til, at dette blev eksperimentelt synligt. Et eksperiment gjorde det."

Hasans arbejde gav en tidlig demonstration af en 3-D topologisk isolator, for eksempel.

I disse materialer, elektronbevægelsen er relativt robust, og er immun over for mange typer urenheder og deformiteter. Forskere har fundet eksempler på topologiske egenskaber i materialer selv ved stuetemperatur.

Dette er en kritisk fordel i forhold til såkaldte højtemperatur-superledere, som skal nedkøles til ekstreme temperaturer for at opnå en næsten modstandsfri strøm af elektroner.

Med topologiske materialer, elektronerne udviser unikke mønstre i en egenskab kendt som elektronspin, der er analog med en kompasnål, der peger op eller ned, og denne egenskab kan ændre sig baseret på elektronens vej og position i et materiale.

En potentiel fremtidig anvendelse for elektronernes spinegenskaber i topologiske materialer er spintronik, et spirende felt, der søger at kontrollere spin-on-demand for at transmittere og lagre information, meget som nuller og dem i traditionel computerhukommelse.

Spin kan også bruges som informationsbærere i kvantecomputere, som kunne tænkes at udføre eksponentielt flere beregninger af en bestemt type på kortere tid end konventionelle supercomputere.

Jonathan Denlinger, en stabsforsker i Scientific Support Group ved ALS, sagde banebrydende undersøgelser af materialer med topologisk adfærd førte til et hurtigt skift i fokus på materialers overfladeegenskaber. Forskere havde historisk set været mere interesserede i elektroner inden for "massen, " eller inde i materialer.

Hasans gruppe brugte tre ALS-strålelinjer - MERLIN, 12.0.1, og 10.0.1 – i banebrydende ARPES-studier af topologisk stof. Hasan var medleder på det forslag, der førte til opførelsen af ​​MERLIN i begyndelsen af ​​2000'erne.

Denlinger, og andre ALS-medarbejdere Alexei Fedorov og Sung-Kwan Mo, arbejde ved disse ALS-strålelinjer, som specialiserer sig i ARPES og en beslægtet variant kaldet spin-opløst fotoelektronspektroskopi. Teknikkerne kan give detaljerede oplysninger om, hvordan elektroner bevæger sig i materialer og også om elektronernes spin-orientering.

ARPES-strålelinjer ved ALS er fortsat i høj efterspørgsel efter topologisk stofforskning. Fedorov sagde, "Disse dage, næsten ethvert forslag, der sendes til vores beamline på den ene eller anden måde, omhandler topologiske stoffer."

Søgen efter opdagelser af nyt topologisk stof ved ALS vil også blive forstærket af en strålelinje kendt som MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory), der åbnede for brugere sidste år og vil hjælpe med at visualisere eksotiske ordnede strukturer dannet i nogle topologiske materialer.

"ALS-U, en planlagt opgradering af ALS, bør forbedre og forbedre topologiske stofundersøgelser ved hjælp af ALS, " sagde Mo. "Det vil give os mulighed for at fokusere ned til et meget lille sted, ", som kunne afsløre flere detaljer i topologisk stofs elektronadfærd.

Forbedret røntgenydelse kunne hjælpe med at identificere nogle topologiske materialer, som tidligere blev overset, og for bedre at kunne skelne og klassificere deres egenskaber, sagde Hasan.

Hasans tidlige arbejde med topologisk stof, inklusive topologiske isolatorer, førte ham til påvisningen af ​​en tidligere teoretiseret masseløs partikel kendt som Weyl-fermion i topologiske halvmetaller, og han er nu ved at udtænke et beslægtet eksperiment, som han håber vil efterligne den periode af det tidlige univers, hvor partikler begyndte at tage på masse.

Denlinger, Fedorov, og Mo gør klar til flere undersøgelser af topologisk stof, og når ud til mulige samarbejdspartnere på tværs af Berkeley Lab og det globale videnskabelige samfund.

Materialer i nanoskala viser meget lovende for topologiske materialer, og termoelektrik - de samme materialer, der kan overføre varme til elektricitet og omvendt, og det førte til den første erkendelse af topologisk stof i røntgeneksperimenter - skulle se præstationsgevinster på kort sigt takket være det febrilske tempo i F&U i felten, Fedorov bemærkede.

Hasan, også, sagde, at han er begejstret for fremskridt på området. "Vi er midt i en topologisk revolution inden for fysik, helt sikkert, " han sagde.