Ny måde at slå eksotiske egenskaber til og fra i topologisk materiale

Et mærkeligt træk ved visse eksotiske materialer tillader elektroner at rejse fra en overflade af materialet til en anden, som om der ikke var noget imellem. Nu, forskere har vist, at de kan slå denne funktion til og fra ved at skifte et materiale ind og ud af en stabil topologisk tilstand med lysimpulser. Metoden kunne give en ny måde at manipulere materialer på, som kunne bruges i fremtidige kvantecomputere og enheder, der fører elektrisk strøm uden tab.

Topologiske materialer er særligt interessante til disse applikationer, fordi deres elektroniske tilstande er ekstraordinært modstandsdygtige over for eksterne forstyrrelser, såsom opvarmning, mekanisk tryk og materialefejl. Men for at gøre brug af disse materialer, videnskabsmænd har også brug for måder at finjustere deres egenskaber på.

"Her, vi har fundet et ultrahurtigt og energieffektivt middel til at bruge lys som en ekstern forstyrrelse til at drive et materiale ind og ud af dets stabile topologiske tilstand, sagde Aaron Lindenberg, undersøgelsens hovedforsker og en lektor ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University.

SLAC/Stanford-holdet offentliggjorde deres resultater i Natur .

Styring af topologi med lys

I matematik, topologi beskriver, hvordan et geometrisk objekt kan omdannes til forskellige former uden at miste bestemte egenskaber. For eksempel, en kugle kan forvandles til en flad skive, men ikke til en doughnut, fordi det ville kræve at stikke hul i den.

I materialer, begrebet topologi er mere abstrakt, men det fører på samme måde til ekstraordinær robusthed:Materialer i topologisk tilstand bevarer deres eksotiske egenskaber, såsom evnen til at lede elektricitet med meget lidt tab, under ydre forstyrrelser.

"Disse materialer tilbyder en spændende platform til at forstå nye koncepter inden for materialefysik, og vi har aktivt lært nye måder at udnytte deres unikke potentiale på, sagde Edbert Sie, en stipendiat ved Geballe Laboratory for Advanced Materials i Stanford, der arbejder med Lindenberg og en af ​​den nye undersøgelses hovedforfattere. Forskning i topologiske materialer er blevet hædret med 2016 Nobelprisen i fysik og en 2019 gennembrudspris.

Selvom topologiske materialer er kendt for deres stabilitet, visse forstyrrelser kan også drive dem ud af deres stabile tilstand. "I vores eget arbejde, vi leder efter måder at bruge lys og belastning til at manipulere topologiske materialer og skabe nye materialetilstande, der kan være nyttige til fremtidige applikationer, " sagde Sie.

Denne undersøgelse fokuserede på et topologisk materiale kaldet wolfram ditelluride, som er lavet af stablede todimensionelle lag. Forskere har allerede foreslået, at når materialet er i sin topologiske tilstand, det særlige arrangement af atomer i disse lag kan generere, hvad der kaldes Weyl-knuder, der udviser unikke elektroniske egenskaber såsom nul-modstandsledningsevne. Disse punkter kan opfattes som ormehulslignende træk, der tunnelerer elektroner mellem modsatte overflader af materialet.

Sie og hans kolleger satte sig for at justere materialets egenskaber med pulser af terahertz-stråling, en usynlig form for lys, hvis bølgelængder ligger mellem infrarød og mikrobølgestråling. Det, de fandt, overraskede dem:Med lyset, de var i stand til hurtigt at skifte materialet mellem dets topologiske tilstand og en ikke-topologisk tilstand, effektivt at slå nul-modstandstilstanden fra og til igen.

"Det er første gang nogen har set denne skiftadfærd, sagde Clara Nyby, en kandidatstuderende på Lindenbergs hold og en anden hovedforfatter af undersøgelsen. "Brug af terahertz-stråling var nøglen her, fordi dens energi effektivt kan drive denne bevægelse."

Ultrahurtigt 'elektronkamera' afslører materialeskift

For at finde ud af, hvad der præcist skete i materialet, forskerne brugte SLACs instrument til ultrahurtig elektrondiffraktion (UED) – et højhastigheds "elektronkamera" – til at tage hurtige snapshots af materialets atomstruktur umiddelbart efter, at det blev ramt af en terahertz-impuls.

De opdagede, at pulserne flyttede tilstødende atomlag i modsatte retninger, forvrængning af materialets atomare struktur. Strukturen begyndte at svinge, med lag, der svinger frem og tilbage omkring deres oprindelige positioner (se animationen ovenfor). Svinger i én retning, materialet mistede sin topologiske egenskab. Svinger i den anden retning, ejendommen dukkede op igen og blev mere stabil.

"Der er mange atomiske bevægelser, der potentielt kan forekomme i materialet, " sagde medforfatter Xijie Wang, leder af SLACs UED-team. "Kombinationen af ​​terahertz-impulser og UED, brugt her for første gang, gjort dette eksperiment muligt. Det gjorde det muligt for os hurtigt at identificere denne særlige oscillerende bevægelse."

Medforfatter Das Pemmaraju, en associeret stabsforsker ved SLAC, sagde, "UED-dataene var også grundlaget for beregninger af materialets elektroniske struktur og dets reaktion på terahertz-stråling. Vores resultater viser, at strålingen driver materialet ud af dets topologiske tilstand og derefter tilbage i det."

Det er stadig at se, hvordan denne skiftemekanisme, som holdet har opnået et foreløbigt patent på, faktisk kan bruges. "Det er tidligt i spillet, " sagde Sie. "Men det faktum, at vi kan manipulere topologiske materialer på en ret simpel måde ved hjælp af lys og belastning, er et stort potentiale."

Næste, forskerne ønsker at anvende deres metode til flere materialer og undersøge, hvordan disse strukturelle modifikationer ændrer deres elektroniske egenskaber, yderligere at udforske verden af ​​topologisk materialevidenskab.