40-års kontrovers i faststoffysik løst

Et internationalt hold på BESSY II ledet af prof. Oliver Rader har vist, at samariumhexaborids forvirrende egenskaber ikke stammer fra, at materialet er en topologisk isolator, som tidligere foreslået. Teoretisk og indledende eksperimentelt arbejde havde indikeret, at dette materiale, som bliver en Kondo isolator ved meget lave temperaturer, besad også egenskaberne af en topologisk isolator. Holdet har nu offentliggjort en overbevisende alternativ forklaring i Naturkommunikation .

Samariumhexaborid er et mørkt fast stof med metalliske egenskaber ved stuetemperatur. Det er vært for Samarium, et grundstof med flere elektroner begrænset til lokaliserede f orbitaler, hvor de interagerer stærkt med hinanden. Jo lavere temperatur, jo mere tydelige bliver disse interaktioner. SmB6 bliver det, der er kendt som en Kondo-isolator, opkaldt efter Jun Kondo, som først forklarede denne kvanteeffekt.

For omkring 40 år siden, fysikere observerede, at SmB6 stadig beholdt den resterende ledningsevne ved temperaturer under 4 kelvin, årsagen til, som indtil i dag var uklar. Efter opdagelsen af ​​den topologiske isolatorklasse af materialer for omkring 12 år siden, hypoteser voksede insisterende på, at SmB6 kunne være en topologisk isolator såvel som at være Kondo isolator, hvilket kan forklare ledningsevneanomalien på et meget grundlæggende niveau, da dette forårsager særlige ledende tilstande ved overfladen. Indledende eksperimenter pegede faktisk i retning af dette.

Nu, et internationalt team ledet af prof. Oliver Rader har undersøgt særligt gode prøver af SmB6 på BESSY II. prøverne, dyrket af samarbejdspartnere i Ukraine, blev spaltet langs specifikke krystalplaner og studeret ved hjælp af ARPES 13, det unikke højopløsningsapparat til vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi på BESSY II. Fysikerne var i stand til at opnå de nødvendige kryotemperaturer under 1 kelvin og ganske præcist måle energiniveauerne i elektronbåndene i forhold til krystallens geometri.

Første analyse:ingen topologisk isolator

Deres målinger bekræftede resultatet, at elektroner på overfladen er mobile, men forskerne fandt bevis for, at det lige antal af observerede båndovergange er uforenelige med elektronerne, der indtager topologiske overfladetilstande.

I opfølgende eksperimenter, forskerne ledte intensivt efter en alternativ forklaring på den ledningsevne, der var blevet påvist ved overfladen. "Vi var i stand til at vise, at hullerne mellem de tilladte energiniveauer for elektronerne, der åbnede sig på grund af Kondo-effekten, blev forskudt en smule ved overfladen. Som følge heraf, prøven forbliver kun ledende dér. Det betyder helt klart, imidlertid, at den bemærkelsesværdige overfladeledningsevne ikke er relateret til systemets topologi, " forklarer Dr. Emile Rienks, der udførte eksperimenterne med ph.d.-studerende Peter Hlawenka (HZB og University Potsdam).

Forskningen i topologiske isolatorer og andre materialer, der udviser udtalte kvanteeffekter, kan føre til nye elektroniske komponenter til energieffektiv informationsteknologi. Information kan behandles og lagres med minimalt energiinput, hvis vi bedre kan forstå disse materialer og derved kontrollere dem.