Topologiske isolatorer - et glimt er nok

Nobelprisen for fysik i 2016 blev uddelt for teorien om topologisk stof. Topologiske isolatorer er nye materialer med særlige elektroniske egenskaber og har stor grundlæggende og applikationsorienteret interesse. Alligevel, fysikere har kæmpet med et ti år gammelt puslespil, hvor resultaterne fra de to bedste metoder til at undersøge deres elektroniske tilstande er uenige. Forskere fra Amsterdam, herunder to FOM-finansierede ph.d.-kandidater, med samarbejdspartnere i Frankrig, Schweiz og Tyskland ved nu præcis hvorfor.

Topologiske isolatorer er mærkelige ting. Størstedelen af ​​en sådan krystal er isolerende og kan ikke bære elektrisk strøm, alligevel leder overfladerne af den samme krystal. Disse nye materialer er af stor grundlæggende interesse, men er også meget lovende til en række fremtidige applikationer inden for særlige typer elektronik og i kvanteberegning, og derfor er de genstand for en omfattende fysikforskningsindsats. Betydningen af ​​topologiske materialer blev understreget sidste år med tildelingen af ​​Nobelprisen til udvikling af grundlæggende teorier, der beskriver topologisk eksistens og adfærd.

Der er to kraftfulde eksperimentelle metoder til at undersøge elektronernes adfærd - partiklerne, der bærer elektrisk strøm - på overfladen af ​​en topologisk isolator. Den første involverer at sende en strøm gennem systemet i nærværelse af et meget stort magnetfelt, og er kendt som magnetotransport. Den anden involverer brugen af ​​en ultraviolet lysstråle til at undersøge krystallens overflade. I dette tilfælde, energien fra en lyspartikel kan absorberes af en elektron, og på den måde kan de nær overfladen undslippe krystallen og analyseres. Forskere kan udnytte denne fotoelektriske effekt for at indsamle værdifuld information om de elektroniske egenskaber på overfladen af ​​en topologisk isolator, stedet, hvor al handlingen er. Denne form for eksperiment kaldes fotoemission.

Siden mere end 10 år, forskere er blevet forvirrede over, hvorfor disse to eksperimenter er helt uenige, når de anvendes på topologiske isolatorer. Nu er forskere fra Amsterdam, herunder to FOM-finansierede ph.d.-kandidater, sammen med samarbejdspartnere i Frankrig, Schweiz og Tyskland fik for nylig et glimt af årsagerne hertil. Hypotesen? Det allerførste UV -lys blinker, påkrævet for at registrere fotoemissionsdata, selv ændrer den elektroniske struktur ved overfladen.

Den mængde, der beskriver og forklarer, hvordan elektroner i et fast stof gør deres ting, kaldes båndstrukturen. Det kan ses som et slags vejnet, der kortlægger de tilladte kombinationer af energi og bølgelængde, elektronbølgerne kan have i krystallen. Et udsnit gennem en sådan båndstruktur kan let vises som et 2-D-billede som dem på de viste billeder her. Denne form for øjebliksbillede indeholder værdifuld information om den elektroniske struktur af en topologisk isolator, og især energiplaceringen af ​​krydsningspunktet for de to grene, der er synlige i båndstrukturen. Denne særlige funktion - fremhævet med en farvet markør i billederne - kaldes Dirac -punktet, opkaldt efter teoretisk fysiker Paul Dirac, hvis teori først beskrev elektroner som dem på overfladen af ​​en topologisk isolator.

Normalt, optagelse af et båndstrukturbillede koster et minut eller mere. Men her arbejdede forskerne hårdt på at bringe dette ned på kun et enkelt sekund, og det venstre billede blev resultatet. Dirac -punktet (grøn cirkel) kommer ved en energimatchning, der kommer fra magnetotransportdata. Efter kun 20 sekunders UV -eksponering, den røde markør i billedet til højre viser, at Dirac-punktet, og resten af ​​båndstrukturen med den er gledet langt ned i energi, langt fra værdien fundet i transportforsøgene.

Det var allerede kendt, at molekyler, der klæber til overfladen af ​​den topologiske isolator, kan forårsage et nedadgående skift af Dirac -punktet. Disse nye forsøg var i stand til at adskille virkningen af ​​molekylerne på overfladen og UV -lysets virkning, så forskerne kunne demonstrere, at det allerførste lysglimt faktisk spiller rollen som starterens pistol, udløser en hurtig nedadgående glidning af Dirac -punktet.

Disse nye resultater er meget nyttige, da fotoemission er et meget vigtigt eksperiment inden for topologiske materialer. Men betyder de, at fotoemission er moden til skraldespanden? Tværtimod! Nu hvor UV -lysets virkning er korrekt forstået, protokoller kunne udvikles til, hvordan fotoemission kan bruges på den rigtige måde i fremtidige undersøgelser af topologiske isolatorer. Fotoemissionsresultaterne og retningslinjerne for forbedrede eksperimentelle procedurer blev offentliggjort i denne uge i det førende (open access) fysikblad, Fysisk gennemgang X .