Afklaring af debatten:Løsning af de elektroniske overfladetilstande af samariumhexaborid

Et hold ledet af Osaka University brugte vinkelopløst fotoelektronspektroskopi til at undersøge den usædvanlige overfladeledningsevne af samariumhexaboridkrystaller. De viste, at materialet er en co-eksisterende fase af "topologisk isolator", hvor elektrisk strøm kan strømme langs overfladen, men ikke gennem hovedparten af ​​prøven, en "Kondo isolator, " som gennemgår en metal-til-isolator-overgang på grund af den stærke elektronkorrelation. Dette arbejde, som viser, at topologiske isolatorer samtidigt kan have stærke elektronkorrelationer, kan give mulighed for udvikling af kvantespin-enheder, der bruger individuelle elektroners magnetiske spins til at udkonkurrere nuværende computere.

En langvarig debat har eksisteret om den metalliske overflade elektroniske struktur af samarium hexaborid (SmB ₆ ). SmB ₆ er kendt for kun at være en isolator ved lave temperaturer på grund af stærke elektronkorrelationer, kaldet "Kondo-effekten". I modsætning til de fleste materialer, modstanden i Kondo-isolatorer stiger faktisk med faldende temperatur. Imidlertid, oprindelsen af ​​den resterende ledningsevne ved lave temperaturer er endnu ikke blevet afsløret. En populær hypotese er, at SmB ₆ er også en topologisk isolator, som kan have metalliske elektroniske tilstande på sin overflade. Imidlertid, de elektroniske overfladestrukturer af SmB ₆ opnået hidtil har været komplekse og svære at fortolke og dermed spørgsmålet om hvorvidt SmB ₆ er faktisk topologisk har været en langvarig debat. I dette arbejde, holdet observerede overfladetilstandene fra en ny krystalorientering og lykkedes med at forenkle overfladetilstandene markant.

Hovedindsigten var at måle langs en bestemt overfladeretning, hvilket tidligere havde været svært at gøre. For at opnå denne overflade, forskerne skulle først forberede en atomisk flad, ekstremt ren overflade af krystallen på en meget præcis måde. De opnåede dette ved at opvarme en enkelt krystal af samariumhexaborid til meget høje temperaturer i et ultrahøjt vakuumkammer. De udførte derefter vinkelopløst fotoelektronspektroskopi, som overvåger de elektroner, der udstødes fra krystallen, når de udsættes for intense lysstråler. Ved hjælp af en ferromagnetisk detektor, de var i stand til at bestemme ikke kun elektronernes hastigheder, men også hvis de havde deres spins orienteret op eller ned. "Vi var i stand til at vise, at samariumhexaborid er en topologisk isolator, uden nogen tvetydighed, " siger hovedforfatter Shin-ichi Kimura. "Dette åbner et nyt forskningsområde, hvor stærke korrelationer og topologiske effekter kan eksistere i det samme materiale."