Cherned op til det maksimale

I topologiske materialer, elektroner kan udvise adfærd, der er fundamentalt anderledes end i "konventionelt" stof, og størrelsen af ​​mange sådanne 'eksotiske' fænomener er direkte proportional med en enhed kendt som Chern-tallet. Nye eksperimenter fastslår for første gang, at det teoretisk forudsagte maksimale Chern-tal kan nås – og kontrolleres – i et rigtigt materiale.

Da Det Kongelige Svenske Videnskabsakademi tildelte Nobelprisen i fysik 2016 til David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz, de roste trioen for at have "åbnet døren til en ukendt verden, hvor materien kan antage mærkelige tilstande." Langt fra at være en særhed, opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof, hvortil de tre teoretikere har bidraget så afgørende, er vokset til et af de mest aktive forskningsfelter inden for kondenseret stofs fysik i dag. Topologiske materialer holder løftet, for eksempel, at føre til nye typer af elektroniske komponenter og superledere, og de rummer dybe forbindelser på tværs af områder inden for fysik og matematik.

Mens nye fænomener opdages rutinemæssigt, der er grundlæggende aspekter, der endnu ikke er afklaret. En af dem er, hvor 'stærke' topologiske fænomener kan være i et virkeligt materiale. For at tage fat på det spørgsmål, et internationalt team af forskere ledet af PSI postdoc-forsker Niels Schröter udgør nu et vigtigt benchmark. Skriver ind Videnskab , de rapporterer om eksperimenter, hvor de observerede, at i det topologiske semimetalliske palladium gallium (PdGa) en af ​​de mest almindelige klassifikatorer af topologiske fænomener, Chern nummeret, kan nå den maksimale værdi, der er tilladt i enhver metallisk krystal. At dette kan lade sig gøre i et rigtigt materiale, er aldrig blevet vist før. I øvrigt, holdet har etableret måder at kontrollere tegnet på Chern-nummeret, som kan give nye muligheder for at udforske, og udnytte, topologiske fænomener.

Udviklet til det maksimale

I teoretiske værker var det blevet forudsagt, at i topologiske halvmetaller kan Chern-tallet ikke overstige en størrelsesorden på fire. Som kandidatsystemer, der viser fænomener med sådanne maksimale Chern-tal, chirale krystaller blev foreslået. Disse er materialer, hvis gitterstrukturer har en veldefineret håndhed, i den forstand, at de ikke kan transformeres til deres spejlbillede ved nogen kombination af rotationer og translationer. Adskillige kandidatstrukturer er blevet undersøgt. En afgørende eksperimentel observation af et Chern-tal på plus eller minus fire, imidlertid, forblev undvigende. Den hidtidige indsats har især været hæmmet af to faktorer. Først, en forudsætning for at realisere et maksimalt Chern-tal er tilstedeværelsen af ​​spin-orbit-kobling, og i det mindste i nogle af de materialer, der er undersøgt indtil videre, at koblingen er relativt lav, gør det vanskeligt at løse interessesplittelsen. Sekund, at forberede rene og flade overflader af relevante krystaller har været meget udfordrende, og som følge heraf havde spektroskopiske signaturer en tendens til at blive udvasket.

Schröter et al. har overvundet begge disse begrænsninger ved at arbejde med PdGa-krystaller. Materialet viser stærk spin-kredsløbskobling, og der findes veletablerede metoder til fremstilling af pletfri overflader. Ud over, ved Advanced Resonant Spectroscopies (ADRESS) beamline af den schweiziske lyskilde ved PSI, de havde unikke muligheder til deres rådighed til ARPES-eksperimenter i høj opløsning og dermed til at løse de forudsagte spektroskopiske mønstre. I kombination med yderligere målinger ved Diamond Light Source (UK) og med dedikerede ab initio beregninger, disse data afslørede hårde og hurtige signaturer i den elektroniske struktur af PdGa, der ikke efterlod nogen tvivl om, at det maksimale Chern-tal er blevet realiseret.

En hånd på Chern-nummeret

Holdet gik et skridt videre, ud over observation af et maksimalt Chern-tal. De viste, at den chirale natur af PdGa-krystallerne giver mulighed for også at kontrollere tegnet for dette tal. For at demonstrere en sådan kontrol, de dyrkede prøver, der enten var venstre- eller højrehåndede (se figuren). Da de så på de elektroniske strukturer af de to enantiomerer, de fandt ud af, at krystallernes chiralitet afspejles i den elektroniske bølgefunktions chiralitet. Taget sammen, dette betyder, at i chirale halvmetaller er håndenheden, som kan bestemmes under krystalvækst, kan bruges til at kontrollere topologiske fænomener, der opstår fra elektronernes adfærd i materialet. Denne form for kontrol åbner en masse nye eksperimenter. For eksempel, nye effekter kan forventes at opstå ved grænsefladen mellem forskellige enantiomerer, en med Chern nummer +4 og den anden med -4. Og der er reelle muligheder for ansøgninger, også. Chirale topologiske halvmetaller kan være vært for fascinerende fænomener såsom kvantiserede fotostrømme. Spændende nok, PdGa er kendt for sine katalytiske egenskaber, inviterer til spørgsmålet om topologiske fænomeners rolle i sådanne processer.

Endelig, de resultater, der nu er opnået for PdGa, kommer fra elektroniske båndegenskaber, der deles af mange andre chirale forbindelser - hvilket betyder, at hjørnet af den "ukendte verden, hvor stof kan antage mærkelige tilstande", som Schröter og kolleger nu har vovet sig ind i, sandsynligvis vil have meget mere at tilbyde.