Nyt materiale afslører også nye kvasipartikler

Forskere ved PSI har undersøgt et nyt krystallinsk materiale, der udviser elektroniske egenskaber, der aldrig er set før. Det er en krystal af aluminium og platinatomer arrangeret på en særlig måde. I de symmetrisk gentagne enhedsceller i denne krystal, individuelle atomer blev forskudt fra hinanden på en sådan måde, at de - som forbundet i sindets øje - fulgte formen på en vindeltrappe. Dette resulterede i nye egenskaber ved elektronisk adfærd for krystallen som helhed, herunder såkaldte Rarita-Schwinger fermioner i dens indre og meget lange og firedoble topologiske Fermi-buer på overfladen. Forskerne har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Naturfysik .

De rapporterer om en ny slags kvasipartikel. Kvasipartikler er tilstande i materiale, der opfører sig på en bestemt måde som faktiske elementarpartikler. To fysikere, William Rarita og Julian Schwinger, forudsagde første gang denne type kvasipartikel i 1941, som blev kendt som Rarita-Schwinger fermioner. Disse er nu blevet opdaget eksperimentelt for første gang, delvis takket være målinger på den schweiziske Synchrotron Light Source SLS på PSI.

"Så vidt vi ved, vi er-samtidig med tre andre forskningsgrupper-blandt de første, der så Rarita-Schwinger fermioner, "siger Niels Schröter, en forsker på PSI og første forfatter til det nye studie.

Søgningen efter eksotiske elektronstater

Forskerne opdagede kvasipartiklerne, mens de undersøgte et nyt materiale-en speciel aluminium-platinkrystal. "Når man ser det med det blotte øje, vores krystal var simpelthen en lille terning på omkring en halv centimeter i størrelse og sort-sølv, "siger Schröter." Vores kolleger ved Max Planck -instituttet for kemisk fysik af faste stoffer i Dresden producerede det ved hjælp af en særlig proces. Udover forskerne i Dresden, forskere i Storbritannien, Spanien og USA var også involveret i den aktuelle undersøgelse. Formålet med Dresden-forskerne var at opnå et skræddersyet arrangement af atomerne i krystalgitteret.

I en krystal, hvert atom optager et nøjagtigt rum. En ofte kubeformet gruppe af tilstødende atomer danner et grundlæggende element, den såkaldte enhedscelle. Dette gentager sig i alle retninger og danner således krystallen med sine typiske symmetrier, som også er synlige udefra. Imidlertid, i aluminium-platin krystal nu undersøgt, individuelle atomer i tilstødende elementære celler blev lidt forskudt fra hinanden, så de fulgte formen på en vindeltrappe, en spiralformet linje. "Det fungerede således nøjagtigt som planlagt:Vi havde en kiral krystal, "forklarer Schröter.

Krystaller som to hænder

Kirale materialer kan sammenlignes med spejlbilledet af venstre og højre hånd. I nogle kirale krystaller, atomernes imaginære vindeltrappe løber med uret, og i andre, den kører mod uret. "Vi forskere finder kirale materialer meget spændende, fordi matematiske modeller laver mange forudsigelser om, at der kan findes eksotiske fysiske fænomener i dem, "forklarer Vladimir Strocov, en PSI-forsker og medforfatter af den aktuelle undersøgelse.

Og dette var tilfældet med aluminium-platin krystal forskerne undersøgte. Brug af SLS-røntgen- og fotoelektronspektroskopi, de gjorde de elektroniske egenskaber inde i krystallen synlige. Ud over, komplementære målinger af den samme krystal ved Diamond Light Source i Oxfordshire, England, tilladt dem at se de elektroniske strukturer på overfladen.

Disse undersøgelser viste, at den specielle krystal ikke kun var et kiralt materiale, men også en topologisk. "Vi kalder denne type materiale et chiralt topologisk semimetal, "Strocov siger." Takket være de fremragende spektroskopiske evner ved ADRESS beamline her på SLS, vi er nu blandt de første, der eksperimentelt har bevist eksistensen af ​​et sådant materiale. "

Donuts verden

Topologiske materialer kom i offentligheden med Nobelprisen i fysik i 2016, da tre forskere blev hædret for deres undersøgelser af topologiske faser og faseovergange.

Topologi er et matematikfelt, der omhandler strukturer og former, der ligner hinanden. For eksempel, en kugle af modellerende ler kan formes til en matrice, en tallerken, eller en skål ved blot at trykke og trække - disse former er således topologisk identiske. Imidlertid, at få en doughnut eller et tal otte, du skal lave huller i leret - et til doughnut, to huller til de 8.

Denne klassificering i henhold til antallet af huller og yderligere topologiske egenskaber er allerede blevet anvendt på andre fysiske egenskaber af materialer af forskerne, der blev tildelt Nobelprisen i 2016. Således er for eksempel, teorien om såkaldte topologiske kvantevæsker blev udviklet.

"Det faktum, at vores krystal er et topologisk materiale betyder, at i overført betydning, antallet af huller inde i krystallen er forskelligt fra antallet af huller uden for den. Derfor, ved overgangen mellem krystal og luft, således ved krystaloverfladen, antallet af huller er ikke veldefineret. Hvad er klart, imidlertid, er at det er her det ændrer sig, "forklarer Schröter." Vi siger, at en topologisk faseovergang finder sted ved krystaloverfladen. Som resultat, nye elektroniske tilstande dukker op der:topologiske Fermi -buer. "

Kvasipartikler indeni, Fermibuer på overfladen

Det er en kombination af disse to fænomener, kiraliteten og topologien i krystallen, det fører til de usædvanlige elektroniske egenskaber, der også adskiller sig inde i materialet og på dets overflade.

Mens forskerne var i stand til at opdage Rarita-Schwinger fermionerne inde i materialet, komplementære målinger ved den engelske synkrotronstrålingskilde Diamond Light Source afslørede andre eksotiske elektroniske tilstande på overfladen af ​​materialet:fire såkaldte Fermi-buer, som også er betydeligt længere end nogen tidligere observerede Fermi -buer.

"Det er helt klart, at Rarita-Schwinger-fermionerne i det indre og disse særlige Fermi-buer på overfladen er forbundet. Begge skyldes, at det er et kiralt topologisk materiale, "siger Schröter." Vi er meget glade for, at vi var blandt de første til at finde sådan et materiale. Det handler ikke kun om disse to elektroniske egenskaber:Opdagelsen af ​​topologiske kirale materialer vil åbne en hel legeplads for nye eksotiske fænomener. "

Forskere er interesserede i nye materialer og elektroners eksotiske adfærd, fordi nogle af dem kunne være egnede til anvendelser i fremtidens elektronik. Målet er - for eksempel med kvantecomputere - at opnå stadig tættere og hurtigere lagring og dataoverførsel i fremtiden og reducere energiforbruget af elektroniske komponenter.