Uventet hurtige ledningselektroner i Na3Bi

En australsk ledet undersøgelse anvender et "trick" med scanning-tunneling mikroskop til at kortlægge elektronisk struktur i Na ₃ Bi, søger svar på materialets ekstremt høje elektronmobilitet.

Ved studiet af det topologiske Dirac -halvmetal, teamet fandt ud af, at udveksling og korrelationseffekter er afgørende for elektronhastighed, og derfor mobilitet, og dermed til brugen af ​​denne spændende klasse af materialer i fremtidens ultra-lavenergi elektronik.

Til dato, lidt har været kendt om båndspredningen af ​​Na ₃ Bi i ledningsbåndet (over Fermi -niveauet), selvom der har været pirrende antydninger om, at elektronernes faktiske hastighed er meget større end teoretiske forudsigelser.

"Vi dyrkede tynde film af Na ₃ Bi og undersøgte deres båndstruktur via kvasipartikelinterferens, "siger hovedforfatter Dr. Iolanda di Bernardo.

"Vores beregninger afslørede, at for at forstå ladningsbærernes ekstremt høje eksperimentelle hastigheder, især i ledningsbåndet, udveksling og korrelationseffekter er afgørende. "

Smarte tricks og overraskelser

Topologiske Dirac-halvmetaller kan betragtes som 3-D-modstykker til grafen:omkring Fermi-niveauet (hvor ledningselektronerne "normalt" sidder) udviser de den samme lineære båndspredning som grafen gør, hvilket betyder, at deres elektroner er stort set masseløse.

Det her, naturligt, udmønter sig i ekstremt høj ledningsevne, og i dette tilfælde, forekommer i alle tre retninger i rummet.

Denne lineære bånddispersion blev forudsagt for Na ₃ Bi, men der manglede stadig en ordentlig kortlægning af ledningsbåndet for dette materiale.

Måling af båndstrukturen af ​​materialer over Fermi -niveauet er, faktisk, ikke en triviel opgave - hovedsageligt fordi elektroner typisk ikke besætter disse tilstande.

En af de få måder dette kan opnås på er ved at bruge et trick baseret på scanning af tunnelspektroskopi:

"Vi erhverver 'kortlægninger' af kvantetunnelstrømmen mellem spidsen og prøven ved forskellige forspændinger, ”forklarer Iolanda.

Derivaterne af disse kortlægninger viser meget typiske mønstre, stammer fra spredning af elektronerne med lidelsen i prøven.

Denne spredningsproces blander elektroner, der er på de samme konstantenergikonturer i det gensidige rum, som gøres synlig ved at tage en Fourier -transformation af kortlægningerne.

"I vores tilfælde, dette gav cirkler svarende til udskæringer langs en Dirac-kegle-lignende dispersion. "(se figur).

Denne analyseteknik gjorde det muligt for teamet at rekonstruere (lineær) båndspredning i materialet og udtrække ladningsbærernes hastigheder, både i valens- og ledningsbåndene.

Men da disse målte båndspredninger blev sammenlignet med teoretiske forudsigelser, der var et problem:de målte hastigheder for de lavest liggende lednings- og valensbånd var signifikant højere end teoretiske forudsigelser.

Imidlertid, teamet fandt en måde til betydeligt at forbedre afstemningen mellem måling og teori:

"Vi brugte stadig mere komplicerede modeller til at beskrive vores system, og opdagede, at efterhånden som vi forbedrede behandlingen af ​​udvekslings- og korrelationspotentialet i modellen (fra PBE til GW -metoder), vi kunne komme tættere på de eksperimentelle værdier - selvom vi stadig observerede nogle uoverensstemmelser, ”forklarer Iolanda.

Mens oprindelsen til disse uventet stærke interaktioner stadig er uklar, den nye undersøgelse viser, at udvekslingskorrelationseffekter sandsynligvis er grundlaget for elektronernes høje hastighed i Na ₃ Bi.

At forstå transportørernes ultrahøje mobilitet i topologiske Dirac-halvmetaller er et skridt i retning af en vellykket implementering af disse materialer i enheder til lavenergi-elektronik.

Studiet, med titlen "Betydningen af ​​interaktioner for båndstrukturen af ​​det topologiske Dirac semimetal Na ₃ Bi, "blev offentliggjort i juli 2020 i Fysisk gennemgang B .