Forskere afslører skjulte topologiske isolatortilstande i vismutkrystaller

Søgningen efter bedre materialer til computere og andre elektroniske enheder har fokuseret på en gruppe materialer kendt som "topologiske isolatorer", der har en særlig egenskab ved at lede elektricitet på kanten af ​​deres overflader som trafikbaner på en motorvej. Dette kan øge energieffektiviteten og reducere varmeproduktionen.

Den første eksperimentelt påviste topologiske isolator i 2009 var bismuth-antimon, men først for nylig identificerede forskere ren vismut som en ny type topologisk isolator. En gruppe forskere i Europa og USA leverede både eksperimentel evidens og teoretisk analyse i en 2018 Naturfysik rapport.

Nu, forskere ved MIT sammen med kolleger i Boston, Singapore, og Taiwan har udført en teoretisk analyse for at afsløre flere tidligere uidentificerede topologiske egenskaber af bismuth. Holdet blev ledet af seniorforfattere MIT Associate Professor Liang Fu, MIT professor Nuh Gedik, Northeastern University Distinguished Professor Arun Bansil, og forskningsstipendiat Hsin Lin ved Academica Sinica i Taiwan.

"Det er en slags skjult topologi, hvor folk ikke vidste, at det kan være sådan, " siger MIT postdoc Su-Yang Xu, en medforfatter til det papir, der for nylig blev offentliggjort i PNAS .

Topologi er et matematisk værktøj, som fysikere bruger til at studere elektroniske egenskaber ved at analysere elektronernes kvantebølgefunktioner. De "topologiske" egenskaber giver anledning til en høj grad af stabilitet i materialet og gør dets elektroniske struktur meget robust mod mindre ufuldkommenheder i krystallen, såsom urenheder, eller mindre forvrængninger af dens form, såsom at strække eller klemme.

"Lad os sige, at jeg har en krystal, der har ufuldkommenheder. Disse ufuldkommenheder, så længe de ikke er så dramatiske, så ændrer min elektriske ejendom sig ikke, " Xu forklarer. "Hvis der er en sådan topologi, og hvis de elektroniske egenskaber er unikt bundet til topologien snarere end formen, så bliver det meget robust."

"I denne særlige forbindelse, medmindre du på en eller anden måde anvender pres eller noget for at forvrænge krystalstrukturen, ellers vil denne ledning altid være beskyttet, " siger Xu.

Da elektronerne, der bærer et bestemt spin, kun kan bevæge sig i én retning i disse topologiske materialer, de kan ikke hoppe baglæns eller sprede sig, hvilket er den adfærd, der får silicium- og kobberbaserede elektroniske enheder til at varme op.

Mens materialeforskere søger at identificere materialer med hurtig elektrisk ledning og lav varmeydelse til avancerede computere, fysikere ønsker at klassificere de typer topologiske og andre egenskaber, der ligger til grund for disse bedre ydende materialer.

I det nye blad, "Topologi om en ny facet af vismut, " Forfatterne beregnede, at bismuth skulle vise en tilstand kendt som en "Dirac overfladetilstand, " som betragtes som et kendetegn for disse topologiske isolatorer. De fandt ud af, at krystallen er uændret ved en halvcirkelrotation (180 grader). Dette kaldes en tofoldet rotationssymmetri. En sådan tofoldet rotationssymmetri beskytter Dirac-overfladetilstandene. Hvis denne den dobbelte rotationssymmetri af krystallen er forstyrret, disse overfladetilstande mister deres topologiske beskyttelse.

Bismuth har også en topologisk tilstand langs visse kanter af krystallen, hvor to lodrette og vandrette flader mødes, kaldet en "hængsel"-tilstand. For fuldt ud at realisere de ønskede topologiske effekter i dette materiale, hængseltilstanden og andre overfladetilstande skal kobles til et andet elektronisk fænomen kendt som "båndinversion", som teoretikernes beregninger viser også er til stede i bismuth. De forudsiger, at disse topologiske overfladetilstande kunne bekræftes ved at bruge en eksperimentel teknik kendt som fotoemissionsspektroskopi.

Hvis elektroner, der strømmer gennem kobber, er som en fiskestime, der svømmer gennem en sø om sommeren, elektroner, der flyder hen over en topologisk overflade, ligner mere skøjteløbere, der krydser søens frosne overflade om vinteren. For vismut, imidlertid, i hængseltilstand, deres bevægelse ville være mere beslægtet med skøjteløb på hjørnekanten af ​​en isterning.

Forskerne fandt også, at i hængseltilstanden, når elektronerne bevæger sig fremad, deres momentum og en anden egenskab, kaldet spin - som definerer en rotation med uret eller mod uret af elektronerne - er "låst". "Deres rotationsretning er låst i forhold til deres bevægelsesretning, " forklarer Xu.

Disse yderligere topologiske tilstande kan hjælpe med at forklare, hvorfor bismuth lader elektroner rejse gennem det meget længere end de fleste andre materialer, og hvorfor det leder elektricitet effektivt med mange færre elektroner end materialer som kobber.

"Hvis vi virkelig ønsker at gøre disse ting nyttige og væsentligt forbedre ydeevnen af ​​vores transistorer, vi skal finde gode topologiske materialer - gode i forhold til at de er nemme at lave, de er ikke giftige, og de er også relativt rigelige på jorden, " foreslår Xu. Bismuth, som er et element, der er sikkert til konsum i form af midler til behandling af halsbrand, for eksempel, opfylder alle disse krav.

"Dette arbejde er en kulmination på halvandet årtiers fremskridt i vores forståelse af symmetribeskyttede topologiske materialer, " siger David Hsieh, professor i fysik ved Caltech, som ikke var involveret i denne undersøgelse.

"Jeg tror, ​​at disse teoretiske resultater er robuste, og det er simpelthen et spørgsmål om eksperimentelt at afbilde dem ved hjælp af teknikker som vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi, som professor Gedik er ekspert i, " tilføjer Hsieh.

Northeastern University Professor Gregory Fiete bemærker, at "Bismuth-baserede forbindelser har længe spillet en hovedrolle i topologiske materialer, selvom vismut selv oprindeligt blev antaget for at være topologisk triviel."

"Nu, dette hold har opdaget, at ren vismut er multipliceret topologisk, med et par overflade Dirac-kegler ubundet til en bestemt momentumværdi, " siger Fiete, som heller ikke var involveret i denne undersøgelse. "Muligheden for at flytte Dirac-keglerne gennem ekstern parameterkontrol kan åbne vejen for applikationer, der udnytter denne funktion."

Caltechs Hsieh bemærker, at de nye resultater tilføjer antallet af måder, hvorpå topologisk beskyttede metalliske tilstande kan stabiliseres i materialer. "Hvis vismut kan omdannes fra halvmetal til isolator, så kan isolering af disse overfladetilstande i elektrisk transport realiseres, hvilket kan være nyttigt til elektronikapplikationer med lav effekt, " forklarer Hsieh.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.