Eksotisk ny topologisk tilstand opdaget i Dirac -halvmetaller

Grundforskning inden for kondenseret fysik har drevet enorme fremskridt inden for moderne elektroniske muligheder. Transistorer, optisk fiber, Lysdioder, magnetiske lagermedier, plasmaskærme, halvledere, superledere - listen over teknologier, der er født af grundforskning inden for kondenseret fysik, er svimlende. Forskere, der arbejder på dette område, fortsætter med at udforske og opdage overraskende nye fænomener, der lover løftet om morgendagens teknologiske fremskridt.

En vigtig undersøgelseslinje på dette område involverer topologi - en matematisk ramme til beskrivelse af overfladetilstande, der forbliver stabile, selv når materialet deformeres ved strækning eller vridning. Den iboende stabilitet af topologiske overfladetilstande har konsekvenser for en række anvendelser inden for elektronik og spintronik.

Nu, et internationalt team af forskere har opdaget en eksotisk ny form for topologisk tilstand i en stor klasse af 3-D halvmetalliske krystaller kaldet Dirac semimetals. Forskerne udviklede omfattende matematiske maskiner til at bygge bro mellem teoretiske modeller med former for "højere orden" topologi (topologi, der kun manifesterer sig ved grænsens grænse) og elektroners fysiske adfærd i virkelige materialer.

Teamet består af forskere ved Princeton University, herunder postdoktorforsker Dr. Benjamin Wieder, Kemiprofessor Leslie Schoop, og fysik professor Andrei Bernevig; ved University of Illinois i Urbana-Champaign, Fysikprofessor Barry Bradlyn; ved Institute of Physics Chinese Academy of Sciences i Beijing, Fysikprofessor Zhijun Wang; ved State University of New York i Stony Brook, Fysikprofessor Jennifer Cano (Cano er også tilknyttet Simons Foundation's Flatiron Institute); og ved Hong Kong University of Science and Technology, Fysikprofessor Xi Dai. Holdets resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 31. januar, 2020.

I løbet af det sidste årti, Dirac og Weyl fermioner er blevet forudsagt og eksperimentelt bekræftet i en række materialer i fast tilstand, især i krystallinsk tantalarsenid (TaA'er), det først opdagede topologiske Weyl fermion semimetal. Flere forskere observerede, at TaAs udviser 2-D topologiske overfladetilstande kendt som "Fermi-buer". Men lignende fænomener observeret i Dirac fermion semimetaller har unddraget sig forståelse, indtil nu.

Hvad er en Fermi -bue? I forbindelse med halvmetaller, det er en overfladetilstand, der opfører sig som halvdelen af ​​et todimensionalt metal; den anden halvdel findes på en anden overflade.

Bradlyn bemærker, "Dette er ikke noget, der er muligt i et rent 2-D-system, og kan kun ske som en funktion af en krystals topologiske natur. I dette arbejde, vi fandt ud af, at Fermi -buerne er begrænset til 1D -hængslerne i Dirac -halvmetaller. "I tidligere arbejde, Dai, Bernevig, og kolleger demonstrerede eksperimentelt, at 2-D-overfladerne af Weyl-halvmetaller skal være vært for Fermi-buer, uanset detaljerne på overfladen, som en topologisk konsekvens af Weyl -punkterne (fermioner), der er dybt inde i hovedparten af ​​krystallen. Dette blev først teoretisk forudsagt af Vishwanath, et al.

"Weylhalvmetaller har lag som løg, "bemærker Dai." Det er bemærkelsesværdigt, at du kan blive ved med at skrælle overfladen af ​​TaA'er, men buerne er der altid. "

Forskere har også observeret buelignende overfladetilstande i Dirac-halvmetaller, men forsøg på at udvikle et lignende matematisk forhold mellem sådanne overfladetilstande og Dirac fermioner i hovedparten af ​​materialet har været uden succes:det var klart, at Dirac -overfladetilstandene stammer fra en anden, uafhængig mekanisme, og det blev konkluderet, at Dirac -overfladetilstandene ikke var topologisk beskyttede.

I den aktuelle undersøgelse, forskerne blev overrasket over at støde på Dirac fermioner, der syntes at udvise topologisk beskyttede overfladetilstande, modsiger denne konklusion. Ved at arbejde på modeller af Dirac-halvmetaller afledt af topologiske quadrupolisolatorer-topologiske topologiske systemer, der for nylig blev opdaget af Bernevig i samarbejde med Illinois Physics Professor Taylor Hughes-fandt de ud af, at denne nye klasse materialer viser robuste, udfører elektroniske tilstande i 1D, eller to færre dimensioner end bulk 3D-Dirac-punkterne.

I første omgang forvirret af den mekanisme, gennem hvilken disse "hængsel" -tilstande dukkede op, forskerne arbejdede på at udvikle en omfattende, præcis opløselig model for de bundne tilstande af topologiske quadrupoler og Dirac -halvmetaller. Forskerne fandt ud af, at i Dirac -halvmetaller, Fermibuer genereres ved en anden mekanisme end buerne i Weyl -halvmetaller.

"Ud over at løse det årtier gamle problem med, om kondenseret stof Dirac fermioner har topologiske overfladetilstande, "Wieder noter, "vi demonstrerede, at Dirac-halvmetaller repræsenterer et af de første solid-state materialer, der er vært for signaturer af topologiske quadrupoler."

Bradlyn tilføjer, "I modsætning til Weyl semimetaller, hvis overfladetilstande er fætre til overfladerne af topologiske isolatorer, vi har vist, at Dirac semimetaller kan være vært for overfladetilstande, der er fætre til hjørnetilstandene for topologiske isolatorer af højere orden. "

Bradlyn beskriver teamets metode:"Vi tog en trekantet tilgang til at ordne tingene. Først, vi konstruerede nogle legetøjsmodeller til systemer, som vi forventede at have disse egenskaber, inspireret af tidligere arbejde med topologiske topologiske systemer i 2-D, og brug af gruppeteori til at håndhæve begrænsninger i tre dimensioner. Dette blev primært gjort af Dr. Wieder, Professor Cano, og mig selv.

"Sekund, Dr. Wieder og jeg udførte en mere abstrakt teoretisk analyse af systemer i to dimensioner, udledt de betingelser, for hvilke det er påkrævet at udvise hængseltilstande, selv uden for legetøjsmodeller. "

"Tredje, vi udførte en analyse af kendte materialer, kombinerer professor Leslie Schoops kemiintuition, vores symmetri -begrænsninger, og ab initio -beregninger fra professor Zhijun Wang for at vise, at vores hængselbue -tilstande skal være synlige i virkelige materialer. "

Da støvet lagde sig, teamet fandt ud af, at næsten alt kondenseret stof Dirac -halvmetaller faktisk skulle udvise hængseltilstande.

"Vores arbejde giver en fysisk observerbar signatur af den topologiske karakter af Dirac fermions, som tidligere var tvetydig, "bemærker Cano.

Bradlyn tilføjer, "Det er klart, at mange tidligere studerede Dirac -halvmetaller faktisk har topologiske grænsetilstande, hvis man ser det rigtige sted. "

Gennem beregninger af første principper, forskerne demonstrerede teoretisk eksistensen af ​​oversete hængseltilstande på kanterne af kendte Dirac -halvmetaller, herunder det prototypiske materiale, cadmium arsenid (Cd ₃ Som ₂ ).

Bernevig kommentarer, "Med et fantastisk team, der kombinerer færdigheder fra teoretisk fysik, beregninger af første principper, og kemi, vi var i stand til at påvise forbindelsen mellem topordens topologi i to dimensioner og Dirac-halvmetaller i tre dimensioner, for første gang."

Teamets resultater har konsekvenser for udviklingen af ​​nye teknologier, herunder i spintronics, fordi hængselstaterne kan omdannes til kanttilstande, hvis udbredelsesretning er knyttet til deres spin, meget gerne kanttilstande for en 2-D topologisk isolator. Derudover nanoroder af topologiske topologiske semimetaller kunne realisere topologisk superledning på deres overflader, når de proximiteres med konventionelle superledere, potentielt realisere flere Majorana fermioner, som er blevet foreslået som ingredienser til opnåelse af fejltolerante kvanteberegninger.