Skrøbelig topologi:To nye undersøgelser forklarer den mærkelige elektronstrøm i fremtidige materialer

Elektroner kører langs overfladen af ​​visse usædvanlige krystallinske materialer, bortset fra at de nogle gange ikke gør det. To nye undersøgelser fra Princeton -forskere og deres samarbejdspartnere forklarer kilden til den overraskende adfærd og kortlægger et forløb for at genoprette konduktivitet i disse bemærkelsesværdige krystaller, værdsat for deres potentielle brug i fremtidige teknologier, herunder kvantecomputere.

Undersøgelserne blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

I de sidste 15 år har en klasse materialer kendt som topologiske isolatorer har domineret søgen efter fremtidens materialer. Disse krystaller har en ualmindelig egenskab:Deres indre er isolatorer - hvor elektroner ikke kan flyde - men deres overflader er perfekte ledere, hvor elektroner flyder uden modstand.

Det var billedet indtil opdagelsen for to år siden, at nogle topologiske materialer faktisk ikke er i stand til at lede strøm på deres overflade, et fænomen, der fik navnet "skrøbelig topologi".

"Skrøbelig topologi er et mærkeligt dyr:Det forudsiges nu at eksistere i hundredvis af materialer, "sagde B. Andrei Bernevig, professor i fysik ved Princeton og medforfatter på begge artikler. "Det er som om det sædvanlige princip, som vi har stolet på for at eksperimentelt bestemme en topologisk tilstand, bryder sammen."

For at få styr på, hvordan skrøbelige tilstande dannes, forskerne vendte sig til to ressourcer:matematiske ligninger og 3D-printere. Med Luis Elcoro ved Baskerlands universitet, Bernevig og Princeton postdoktorforsker Zhi-Da Song konstruerede en matematisk teori for at forklare, hvad der sker inde i materialerne.

Næste, Sebastian Huber og hans team på ETH Zürich, i samarbejde med forskere ved Princeton, Weizmann Institute of Science i Israel, Sydkinesisk Teknologisk Universitet, og Wuhan Universitet, testet teorien ved at bygge et topologisk materiale i naturlig størrelse ud af 3D-trykt plast.

Topologiske materialer trækker deres navn fra matematikfeltet, der forklarer, hvordan former som donuts og kaffekopper hænger sammen (de har begge et hul). De samme principper kan forklare, hvordan elektroner hopper fra atom til atom på overfladen af ​​de cirka 20, 000 topologiske materialer identificeret til dato. Den teoretiske grundlag for topologiske materialer fik en Nobelpris i fysik i 2016 til F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University Professor i fysik.

Det, der gør disse krystaller så interessante for forskere, er deres paradoksale elektroniske egenskaber. Krystalets indre har ingen evne til at lede strøm - det er en isolator. Men skær krystallet i halve, og elektronerne vil skumme over de nyligt afslørede overflader uden modstand, beskyttet af deres topologiske karakter.

Forklaringen ligger i forbindelsen mellem elektronerne på overfladen og dem i det indre, eller bulk. Elektroner kan ikke betragtes som individuelle partikler, men som bølger, der spreder sig som krusninger af vand fra en sten, der blev kastet i en dam. I denne kvantemekaniske opfattelse, hver elektrones placering er beskrevet af en spredende bølge, der kaldes en kvantebølgefunktion. I et topologisk materiale, kvantebølgefunktionen af ​​en elektron i bulk spredes til kanten af ​​krystallen, eller overfladegrænse. Denne korrespondance mellem massen og grænsen fører til en perfekt ledende overfladetilstand.

Dette princip om "bulk-grænse korrespondance" for at forklare topologisk overfladeledning blev bredt accepteret indtil for to år siden, da en håndfuld videnskabelige artikler afslørede eksistensen af ​​skrøbelig topologi. I modsætning til de sædvanlige topologiske tilstande, skrøbelige topologiske tilstande har ikke ledende overfladetilstande.

"Det sædvanlige bulk-grænse korrespondance princip bryder sammen, "Sagde Bernevig. Men præcis hvordan forblev et puslespil.

I den første af de to Videnskab papirer, Bernevig, Song og Elcoro giver en teoretisk forklaring på en ny bulk-grænse korrespondance for at forklare skrøbelig topologi. Samarbejdspartnerne viser, at elektronbølgefunktionen i skrøbelig topologi kun strækker sig til overfladen under særlige forhold, som forskerne kalder en snoet bulk-grænse-korrespondance.

Teamet fandt endvidere ud af, at den snoede bulk-grænse-korrespondance kan indstilles, så de ledende overfladetilstande dukker op igen. "Baseret på bølgefunktionens former, vi designede et sæt mekanismer til at indføre interferens på grænsen på en sådan måde, at grænsetilstanden nødvendigvis bliver perfekt ledende, "sagde Luis Elcoro, professor ved universitetet i Baskerlandet.

At finde nye overordnede principper er noget, der altid fascinerer fysikere, men denne nye form for bulk-grænse-korrespondance kan også have en praktisk værdi, ifølge forskerne. "Den snoede bulk-grænse-korrespondance af skrøbelig topologi giver en potentiel procedure til at kontrollere overfladetilstanden, som kan være nyttig i mekanisk, elektroniske og optiske applikationer, "Sagde sangen.

Men det var praktisk talt umuligt at bevise, at teorien virker, da man skulle skulle forstyrre grænserne på uendeligt små atomskalaer. Så teamet henvendte sig til samarbejdspartnere for at bygge en model i naturlig størrelse til at udforske deres ideer.

I det andet Videnskab papir, Sebastian Huber og hans team på ETH Zürich byggede en storstilet topologisk krystal ud af plast ved hjælp af 3D-trykte dele. De brugte lydbølger til at repræsentere elektronbølgefunktionerne. De indsatte barrierer for at blokere stien til lydbølgerne, hvilket er analogt med at skære krystallen for at afsløre de ledende overflader. På denne måde, forskerne efterlignede den snoede grænsetilstand, og viste derefter, at ved at manipulere det, de kunne demonstrere, at en frit ledende lydbølge bevæger sig over overfladen.

"Dette var en meget venstreorienteret idé og erkendelse, "Huber sagde." Vi kan nu vise, at stort set alle topologiske tilstande, der er blevet realiseret i vores kunstige systemer, er skrøbelige, og ikke stabil, som man troede tidligere. Dette arbejde giver den bekræftelse, men meget mere, det introducerer et nyt overordnet princip. "