Ny eksperimentel, teoretiske beviser identificerer jacutingaite som dual-topology isolator

Topologiske isolatorer (TI'er) er bulkisolerende materialer, der ikke desto mindre udviser metallisk ledningsevne på deres overflader. Denne ledningsevne er garanteret af bulkbåndstrukturens topologi - overfladen har disse tilstande, så længe symmetrien, der definerer det topologiske indeks, forbliver den samme.

I såkaldte stærke TI'er, disse stater er beskyttet og er således vist på alle overflader. I svage TI'er, disse egenskaber er kun beskyttet på overflader med en bestemt orientering. Stabling af todimensionelle TI'er, det er QSHI'er, at danne en tredimensionel krystal, for eksempel, producerer generelt en svag TI uden beskyttede tilstande på krystallens top- eller bundflader:der er metalliske overfladetilstande, der er nedarvet fra kanttilstandene af 2-D TI, men også et isolerende overfladeplan, der ligger vinkelret på stableretningen.

Seneste teoretiske arbejde, også udført af MARVEL-forskere, foreslog imidlertid, at dette måske ikke var tilfældet for stablet, eller bulk, jacutingaite. Forskningen foreslog et mere kompliceret scenario - materialet kan være en topologisk krystallinsk isolator (TCI) såvel som en svag TI. I TCI'er, topologien er defineret ved symmetri med hensyn til et spejlplan, og metalliske overfladetilstande kan findes på overflader vinkelret på det. Denne tilstand kan forventes i materialet på grund af dets tredobbelte spejlsymmetri. Jacutingaite opretholder også translationel symmetri i stablingen af ​​lagene, hvilket betyder, at det også kan have egenskaberne af en svag TI. Indtil nu, imidlertid, der har ikke været nogen eksperimentelle resultater på bulkbåndstrukturen.

Forskning initieret af EPFLs THEOS-laboratorium og udført i samarbejde med Institut for Kvantestoffysik ved Universitetet i Genève og andre grupper, herunder Diamond Light Source i Storbritannien, har nu imidlertid beskrevet den første syntese nogensinde af en enkelt krystal af jacutingait og brugt prøven til at give bevis for deres dobbelttopologiske natur ved at sammenligne bulk- og overfladeelektroniske struktur bestemt ud fra synkrotronbaserede vinkelopløst fotoemission (ARPES) eksperimenter med DFT beregninger. Papiret, Bulk- og overfladeelektronisk struktur af Dual-Topology Semimetal Pt ₂ HgSe ₃ , er for nylig blevet udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve .

Arbejdet afslørede topologisk beskyttede overfladetilstande i materialets naturlige spaltningsplan (001), uventet, da det snarere burde understøtte en svag topologisk fase, da det er en stak 2-D QSHI'er. Beregninger af visse topologiske invarianter bekræftede den svage topologiske isolatorfase, der generelt er karakteriseret ved spalteløse tilstande på de laterale overflader, men fuldt gabende tilstande på top- og bundflader. Overfladetilstandene fundet på 001-overfladen blev derfor antaget at være manifestationen af ​​en anden topologisk fase.

Forskerne antog, at det kunne være en indikation af TCI-fasen forbundet med krystallens tredobbelte spejlsymmetri. I et sådant tilfælde, topologisk beskyttede overfladetilstande forventes på krystaloverflader, der bevarer spejlsymmetrien, og dette var tilfældet for den spaltede (001) overflade.

Ved at bruge de første principberegninger, forskerne var i stand til at identificere denne overfladetilstand som signaturen på en TCI-fase, der eksisterer side om side med den generiske WTI-fase, der findes i de samme beregninger. Resultaterne giver således bevis for den forudsagte dobbelttopologi af Pt ₂ HgSe ₃ . Hvad der dog forblev uklart, er mekanismen bag jacutingaites status som en dobbelt topologisk isolator.

Netop dette emne blev behandlet i teoretisk arbejde udviklet på EPFLs THEOS, forskning, der supplerede det eksperimentelle og beregningsmæssige arbejde udført i det andet papir. I papiret Emergent dual topology in the three-dimensional Kane-Mele Pt ₂ HgSe ₃ , forskere Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, og kollega Marco Gibertini ved universitetet i Genève, tidligere af THEOS, udvidede den todimensionelle Kane-Mele (KM) model, der blev brugt til at beskrive topologiske materialer, til bulk jacutingaite. Artiklen blev for nylig offentliggjort i Physical Review Research.

De viste, at den uventede topologi i bulk jacutingaite kommer fra en stærk mellemlagshybridisering, der fører til en 3-D generalisering af KM-modellen. Mens de nærmeste lag næsten er afkoblet, der er en stor, ejendommelig hoppebetegnelse, der indikerer stærk kobling mellem lag, der er to lag fra hinanden. Lige og ulige lag er så mere eller mindre uafhængige og kan beskrives separat af en 3-D KM-model, døbt J3KM i avisen, der inkluderer en båndinversion drevet af dette nye hoppende udtryk. Dette resulterer i en knudelinje, der er spaltet af spin-kredsløbskobling og et Chern-tal, der ikke er nul - dvs. beskyttede overfladetilstande i overensstemmelse med TCI'er. Når koblingen mellem lige og ulige lag genoprettes dog, materialet fungerer igen som en WTI.

Denne indsigt giver en mikroskopisk forståelse af materialets duale topologi. J3KM-modellen forudsiger tilstedeværelsen af ​​overfladetilstande og nodale linjer, der er mellemrum af spin-kredsløbsinteraktioner, i overensstemmelse med ARPES-målingerne og førsteprincippersimuleringer udført i det andet papir. Modellen er relevant for alle andre lagdelte materialer lavet af stablede honeycomb-gitre og giver en tiltalende strategi til at bryde standardparadigmet for svage topologiske isolatorer.

Endelig, kombinationen af ​​eksperimentelle beviser, første princips-simuleringer og teoretiske modeller på 3-D jacutingaite understøtter THEOS' tidligere forudsigelse om, at 2-D jacutingaite er en Kane-Mele (grafen-lignende) kvantespin Hall-isolator.