Demonstration af en svag topologisk isolator i bismuthiodid

Topologiske isolatorer er en af ​​de mest spændende opdagelser i det 21. århundrede. De kan ganske enkelt beskrives som materialer, der leder elektricitet på deres overflade eller kant, men er isolerende i deres indre masse. Deres ledende egenskaber er baseret på spin, en kvantemekanisk egenskab, og dette undertrykker den normale spredning af elektroner fra urenheder i materialet, eller andre elektroner, og mængden af ​​energi, der følgelig går tabt til varme. I modsætning til superledere, topologiske isolatorer kan arbejde ved stuetemperatur, giver mulighed for, at vores nuværende elektronik kan erstattes med kvantecomputere og 'spintroniske' enheder, der ville være mindre, hurtigere, mere kraftfuld og mere energieffektiv. Topologiske isolatorer er klassificeret som 'stærke' eller 'svage', og eksperimentelle bekræftelser af den stærke topologiske isolator (STI) fulgte hurtigt teoretiske forudsigelser. Imidlertid, den svage topologiske isolator (WTI) var sværere at verificere eksperimentelt, som den topologiske tilstand dukker op på bestemte sideflader, som typisk ikke kan detekteres i ægte 3D-krystaller. I forskning, der for nylig blev offentliggjort i Natur , et team af forskere fra Japan brugte synkrotronteknikker til at levere eksperimentelt bevis for WTI -tilstanden i en bismuthiodidkrystal.

De kvasi-endimensionale (1-D) bismuthiodidkrystaller α-Bi4I4 og β-Bi4I4 har meget lignende strukturer, kun adskiller sig i deres stablingssekvenser langs c-aksen. Denne lille forskel i struktur fører til en væsentlig forskel i de to fasers resistivitet, i både absolut størrelse og temperaturafhængighed. Ved stuetemperatur sker førsteordens overgange mellem de to krystalfaser, med den mere resistive a-fase, der fortrinsvis dannes, når prøven langsomt afkøles.

Forskergruppen brugte laserbaserede vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi (ARPES) målinger med høj energi og momentumopløsninger til at bestemme de elektroniske strukturer af α-Bi4I4 og β-Bi4I4. De observerede en superposition af ARPES -signalerne fra (001) og (100) flyene i disse forsøg, fordi laserpletten var meget større end hver terrasse og facet blotlagt på en kløvet overflade. I β -Bi4I4, de observerede en Dirac-keglelignende energispredning nær Fermi-energien, EF-unormal tilstand, der ikke blev detekteret i den trivielle α-Bi4I4, og som skal skyldes en topologisk overflade. En lignende quasi-1D-tilstand blev bekræftet gennem ARPES ved en højere fotonenergi. Den eneste mulige forklaring på den observerede kvasi-1D Dirac-tilstand er, at den stammer fra den topologiske sideoverflade (100) af en WTI.

For udelukkende at undersøge WTI -overfladen, de vendte sig til en overfladeselektiv ARPES-teknik-nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) er en spændende udvikling inden for synkrotronteknikker, som kombinerer den høje rumlige opløsning af et mikroskop med energi- og momentumopløsningen i ARPES-teknikken. NARPES-grenen af ​​beamline I05 har en endstation, der leverer rumligt opløste ARPES fra ultra-små pletstørrelser. Ved hjælp af en fotonstråle fokuseret til et sted på mindre end 1 μm i størrelse, holdet var i stand til at observere (100) flyet uden forurening.

WTI -staten

Forskerne opnåede et mikroskopisk intensitetskort til en lille spaltningsoverflade, ved brug af nARPES før vinkelopløste målinger

De observerede derefter en kvasi-endimensional Dirac topologisk overfladetilstand på sideoverfladen (100-planet), mens den øverste overflade ((001) planet) er topologisk mørk med fravær af topologiske overfladetilstande. Deres resultater visualiserede WTI-tilstand realiseret i β-Bi4I4, og viste, at en krystalovergang fra β-fasen til α-fasen driver en topologisk faseovergang fra en ikke-triviel WTI til en normal isolator ved stuetemperatur.

Den identificerede WTI -stat kan have flere forskellige videnskabelige og teknologiske konsekvenser. Fordi det betragtes som 3D-analogen af ​​Quantum spin Hall (QSH) isolatoren, og kunne generere stærkt retningsbestemt centrifugeringsstrøm over en bred sideflade af 3D-krystallen, dens opdagelse skulle stimulere til yderligere dybdegående undersøgelse af eksotiske kvantefænomener. I vismuthiodid kan fremkomsten af ​​robuste spinstrømme styres ved at vælge krystalfaser, der enten er topologiske eller ikke-topologiske, ved omkring stuetemperatur.

Denne forskning er derfor et skridt i retning af grundlæggende og teknologisk forskning i 3D-analoger af QSH-isolatorer, og kan i sidste ende føre til nye elektroniske og spintroniske teknologier.