Et nyt twist i kiral topologi

Begrebet kiralitet er veletableret i videnskaben:når et objekt ikke kan overlejres på sit spejlbillede, både objektet og dets spejlbillede kaldes chiralt. I lægemiddelindustrien, for eksempel, mere end 50% af de farmaceutisk aktive molekyler, der anvendes i dag, er chirale molekyler. Mens en af ​​'enantiomererne' er livreddende, dens modstykke med modsat hånd kan være giftig. Et andet begreb, der har fundet udbredt interesse for moderne materialevidenskab, er topologi, da mange såkaldte topologiske materialer har eksotiske egenskaber. For eksempel, topologiske materialer kan have beskyttede kanttilstande, hvor elektroner flyder frit uden modstand, som om der blev skabt en superledende vej af elektroner ved kanten af ​​et materiale. Sådanne ukonventionelle egenskaber er en manifestation af stofets kvante natur. De topologiske materialer kan klassificeres efter et særligt kvantetal, kaldet den topologiske ladning eller Chern -nummeret.

Kirale topologiske materialer har særligt unikke egenskaber, som kan være nyttige i fremtidige enheder til kvantecomputere, som kan fremskynde beregninger betydeligt. Et eksempel på en sådan egenskab er den længe søgte store kvantificerede fotogalvaniske strøm. Her genereres en fast jævnstrøm i et kiralt topologisk materiale, når den er udsat for et cirkulært polariseret lys, som er uafhængig af styrken af ​​indfaldende stråling og dens retning kan manipuleres ved polarisering af indfaldende lys. Dette fænomen er afhængig af det faktum, at materialet har en høj topologisk ladning på 4, som er den maksimalt mulige værdi i ethvert materiale.

Solid-state kemikere og fysikere fra Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer (MPI CPfS), Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Helmholtz-Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie (HZB) og University of Science and Technology of China, Det lykkedes Hefei at realisere denne ejendommelige elektroniske tilstand for første gang i den nye chirale topologiske forbindelse PtGa. Deres resultater er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

I undersøgelsen, forskerne har brugt usædvanligt stærk spin-orbit-kobling i PtGa som nøgleparameteren til klart at løse og tælle antallet af specielle topologiske overfladetilstande, kaldet Fermi -buerne, som bestemmer den topologiske ladning. "PtGa er den bedste forbindelse i naturen med kiral B20-struktur til at observere spin-split Fermi-buer og realisere det maksimale Chern-nummer 4, da det har den stærkeste spin-orbit-kobling." siger Kaustuv Manna, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, der arbejder som videnskabsmand ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids Dresden.

Teoretiske beregninger udført af Yan Sun og hans kolleger antydede, at forbindelsen PtGa er en meget lovende kandidat til at observere den høje topologiske ladning, som eksperimentelt blev verificeret af Mengyu Yao og hans kolleger, der udførte detaljerede vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi (ARPES) undersøgelser. ARPES er et kraftfuldt værktøj til at undersøge elektroners adfærd i faste stoffer.

"Arbejdet af Yao et al. afslører, at PtGa er et topologisk halvmetal med en maksimal chiral ladning og har den stærkeste spin-orbital kobling blandt alle chirale krystaller, der er identificeret op til dato. Denne observation er signifikant og har store implikationer for dets transportegenskaber, såsom magnetotransport. "forklarer Ming Shi, professor og seniorforsker ved Paul Scherrer Institute, Schweiz.

Undersøgelsen er et eksempel på et fremragende samarbejde mellem forskningsgrupper, der dækker forskellige ekspertiseområder. Inden for excellence -klyngen ct.qmat, forskere samarbejder om at undersøge grundlæggende nye tilstande i sagen. "Vi fokuserer på nye materialer, hvis observerede egenskaber og funktioner er drevet af kvantemekaniske interaktioner på atomniveau, med halvmetaller som at PtGa er et af de mest spændende eksempler, "siger Jochen Wosnitza, Direktør for Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) ved HZDR, med henvisning til et af klyngens vigtigste forskningsemner. Institutter, der deltager i klyngen og samarbejder om den aktuelle publikation, omfatter DRESDEN-konceptpartnerne MPI CPfS, IFW, og HZDR.