Den bedste topologiske leder endnu:Spiralkrystal er nøglen til eksotisk opdagelse

Realiseringen af ​​såkaldte topologiske materialer-som udviser eksotiske, defektresistente egenskaber og forventes at have applikationer inden for elektronik, optik, kvanteberegning, og andre felter - har åbnet et nyt område inden for opdagelse af materialer.

Flere af de stærkt undersøgte topologiske materialer til dato er kendt som topologiske isolatorer. Deres overflader forventes at lede elektricitet med meget lille modstand, lidt beslægtet med superledere, men uden behov for utroligt kølige temperaturer, mens deres interiør-den såkaldte "bulk" af materialet-ikke leder strøm.

Nu, et team af forskere, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget den stærkeste topologiske leder endnu, i form af tynde krystalprøver, der har en spiraltrappestruktur. Teamets undersøgelse af krystaller, kaldet topologiske kirale krystaller, er rapporteret i 20. marts -udgaven af ​​tidsskriftet Natur .

Den DNA-lignende spiralformede struktur, eller helikoid, i krystalprøven, der var i fokus for den seneste undersøgelse, udvises en chiralitet eller "håndethed-da en person enten kan være venstrehåndet eller højrehåndet, og venstre hånd er et spejlbillede af højre hånd. Kirale egenskaber kan i nogle tilfælde vendes, som en venstrehåndet person, der bliver en højrehåndet person.

"I dette nye arbejde beviser vi i det væsentlige, at dette er en ny tilstand af kvantemateriale, som også udviser næsten ideelle topologiske overfladeegenskaber, der fremkommer som en konsekvens af krystalstrukturens chiralitet, "sagde M. Zahid Hasan, en topologisk materialepioner, der ledede materialeteorien og eksperimenterne som gæsteforsker ved Institut for Materialevidenskab ved Berkeley Lab. Hasan er også Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University.

En egenskab, der definerer topologisk ledningsevne - som er relateret til den elektriske ledningsevne af materialets overflade - blev målt til at være omkring 100 gange større end den, der blev observeret i tidligere identificerede topologiske metaller.

Denne ejendom, kendt som overfladen Fermi bue, blev afsløret i røntgenforsøg ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) ved hjælp af en teknik kendt som fotoemissionsspektroskopi. ALS er en synkrotron, der producerer intens lys-fra infrarød til høj-energi røntgenstråler-til snesevis af samtidige eksperimenter.

Topologi er et veletableret matematisk begreb, der vedrører bevarelsen af ​​et objekts geometriske egenskaber, selvom et objekt strækkes eller deformeres på andre måder. Nogle af dets eksperimentelle applikationer i 3D-elektroniske materialer-såsom at opdage topologisk adfærd i materialers elektroniske strukturer-blev først realiseret for lidt over et årti siden, med tidlige og fortsatte bidrag fra Berkeley Lab.

"Efter mere end 12 års forskning i topologisk fysik og materialer, Jeg tror, ​​at dette kun er toppen af ​​isbjerget, "Hasan tilføjet." Baseret på vores målinger, dette er det mest robuste, topologisk beskyttet ledermetal, som nogen har opdaget - det tager os til en ny grænse. "

Topologisk beskyttet betyder, at nogle af materialets egenskaber er pålideligt konstante, selvom materialet ikke er perfekt. Den kvalitet styrker også den fremtidige mulighed for praktiske anvendelser og fremstillbarhed for disse typer materialer.

Ilya Belopolski, en Princeton -forsker, der deltog i både teori og eksperimentelt arbejde, bemærkede, at en særlig interessant egenskab ved de undersøgte krystaller-som omfattede kobolt-silicium og rhodium-silicium-krystaller-er, at de kan producere en elektrisk strøm med en fast styrke, når du skinner et lys over dem.

"Vores tidligere teorier viste, at - baseret på materialets elektroniske egenskaber, som vi nu har observeret - ville strømmen blive fastsat til bestemte værdier, "sagde han." Det er ligegyldigt, hvor stor prøven er, eller hvis det er beskidt. Det er en universel værdi. Det er fantastisk. Til applikationer, ydelsen vil være den samme. "

I tidligere forsøg på ALS, Hasans team havde afsløret eksistensen af ​​en type masseløse kvasipartikler kendt som Weyl fermioner, som kun havde været kendt for at eksistere i teorien i omkring 85 år.

Weyl fermionerne, som blev observeret i syntetiske krystaller af et halvmetal kaldet tantalarsenid, udviser nogle lignende elektroniske egenskaber til dem, der findes i krystallerne, der blev brugt i den seneste undersøgelse, men manglede deres kirale træk. Halvmetaller er materialer, der har nogle metal- og nogle ikke-metalegenskaber.

"Vores tidligere arbejde med Weyl -halvmetaller banede vejen for forskning i eksotiske topologiske ledere, "sagde Hasan. I en undersøgelse fra november 2017, der fokuserede på teori omkring disse eksotiske materialer, Hasans team forudsagde, at elektroner i rhodium-silicium og mange beslægtede materialer opførte sig på meget usædvanlige måder.

Teamet havde forudsagt, at kvasipartikler i materialet - beskrevet af elektronernes kollektive bevægelse - fremstår som masseløse elektroner og skulle opføre sig som bremset, 3-D partikler af lys, med bestemte hænder eller kiralitetstræk i modsætning til topologiske isolatorer eller grafen.

Også, deres beregninger, offentliggjort 1. oktober, 2018 i Naturmaterialer tidsskrift, foreslog, at elektroner i krystallerne kollektivt ville opføre sig som om de var magnetiske monopoler i deres bevægelse. Magnetiske monopoler er hypotetiske partikler med en enkelt magnetisk pol - ligesom jorden uden en sydpol, der kan bevæge sig uafhængigt af en nordpol.

Al denne usædvanlige topologiske adfærd peger tilbage mod krystallprøvernes kirale karakter, som skaber en spiral eller "helikoid" elektronisk struktur, som observeret i forsøgene, Hasan bemærkede.

De undersøgte prøver, som indeholder krystaller, der måler op til et par millimeter på tværs, blev udarbejdet på forhånd af flere internationale kilder. Krystallerne blev karakteriseret ved Hasans gruppe ved Princetons laboratorium for topologisk kvantemateriale og avanceret spektroskopi ved hjælp af et lavtemperatur-scannende tunnelmikroskop, der kan scanne prøver i atomskala, og prøverne blev derefter transporteret til Berkeley Lab.

Inden studiet på ALS, prøverne gennemgik en specialiseret poleringsbehandling på Berkeley Labs Molecular Foundry, et videnskabeligt forskningsanlæg i nanoskala. Daniel Sanchez og Tyler Cochran, Princeton -forskere, der bidrog til undersøgelsen, sagde, at prøver til sådanne undersøgelser typisk "spaltes, "eller ødelagt, så de er atomisk flade.

Men i dette tilfælde, krystalbindinger var meget stærke, fordi krystallerne har en kubisk form. Så teammedlemmer arbejdede med personale på Molecular Foundry for at skyde højenergi-argonatomer på krystalprøverne for at rense og flade dem, og derefter omkrystalliseret og poleret prøverne gennem en opvarmningsproces.

Forskerne brugte to forskellige røntgenstråler ved ALS (Beamline 10.0.1 og Beamline 4.0.3) til at afdække de usædvanlige elektroniske og spin-egenskaber ved krystalprøverne.

Fordi den elektroniske adfærd i prøverne synes at efterligne kiraliteten i krystallernes struktur, Hasan sagde, at der er mange andre veje at udforske, såsom at teste, om superledning kan overføres på tværs af andre materialer til den topologiske leder.

"Dette kan føre til en ny type superleder, " han sagde, "eller udforskning af en ny kvanteeffekt. Er det muligt at have en kiral topologisk superleder?"

Også, mens de topologiske egenskaber observeret i rhodium-silicium og kobolt-silicium krystaller i den seneste undersøgelse betragtes som ideelle, der er mange andre materialer, der er blevet identificeret, som kan undersøges for at måle deres potentiale for forbedret ydeevne til virkelige applikationer, Sagde Hasan.

"Det viser sig, at den samme fysik muligvis også kan realiseres i andre forbindelser i fremtiden, der er mere egnede til enheder, " han sagde.

"Det er en enorm tilfredshed, når du forudsiger noget eksotisk, og det vises også i laboratorieforsøgene, "Tilføjede Hasan, noterer sig sit teams tidligere succeser med at forudsige materialers topologiske egenskaber. "Med endegyldige teoretiske forudsigelser, vi har kombineret teori og eksperimenter for at fremme vidensgrænsen. "