Manglende forbindelse mellem nye topologiske faser af stof opdaget

Fysikere på BESSY II har undersøgt en klasse af materialer, der udviser karakteristika for topologiske isolatorer. Under disse undersøgelser, de opdagede en overgang mellem to forskellige topologiske faser, hvoraf den ene er ferroelektrisk, betyder en fase i materialet, der udviser spontan elektrisk polarisering og kan vendes af et eksternt elektrisk felt. Dette kan også føre til nye anvendelser såsom at skifte mellem forskellige ledningsevner.

HZB-forskerne studerede krystallinske halvlederfilm lavet af bly, tin og selenlegering (PbSnSe), der var dopet med bittesmå mængder af grundstoffet bismuth. Disse halvledere tilhører en ny klasse af materialer kaldet topologiske isolatorer, materialer, der leder meget godt på deres overflader, mens de opfører sig som isolatorer internt. Doping med 1 til 2 procent vismut gjorde det muligt for dem at observere en ny topologisk faseovergang. Prøven skifter til en bestemt topologisk fase, der også udviser ferroelektricitet. Det betyder, at et eksternt elektrisk felt forvrænger krystalgitteret, hvorimod omvendt, mekaniske kræfter på gitteret kan skabe elektriske felter.

Effekten kan bruges til at udvikle ny funktionalitet, som også er af interesse for potentielle anvendelser. Ferroelektriske faseændringsmaterialer anvendes i dvd'er og flashhukommelse, for eksempel. En elektrisk spænding fortrænger atomer i krystallen, omdannelse af isoleringsmaterialet til et metallisk.

Bismuth-dopingen i PbSnSe-filmene, der blev undersøgt på HZB, tjente som en forstyrrelse. Antallet af elektroner i bismuth passer ikke godt i det periodiske arrangement af atomer i PbSnSe-krystallen. "Små ændringer i den atomare struktur giver anledning til fascinerende effekter i denne klasse af materialer, " siger HZB-forsker Dr. Jaime Sánchez-Barriga, hovedefterforsker, der koordinerer projektet.

Efter detaljerede analyser af målingerne, forskerne konkluderede, at bismuth-doping forårsager en ferroelektrisk forvrængning i gitteret, som også ændrer de tilladte energiniveauer for elektronerne. "Dette problem holdt os forvirrede i flere stråletider, indtil vi reproducerede de videnskabelige resultater på et helt nyt sæt prøver, " siger Sánchez-Barriga. "Potentielle anvendelser kan opstå gennem ferroelektriske faser - dem, der ikke er tænkt på før. Tabsfri ledning af elektricitet i topologiske materialer kan tændes og slukkes efter behag ved elektriske impulser eller ved mekanisk belastning, " siger prof. Oliver Rader, leder af afdelingen Materialer til Grøn Spintronik på HZB.