Første nogensinde bevis på eksotiske partikler i koboltmonosilicid

En ny undersøgelse giver det første bevis på eksotiske partikler, kendt som firfoldige topologiske kvasipartikler, i den metalliske legering kobolt monosilicid. Udgivet i Procedurer fra National Academy of Sciences , denne omfattende analyse, en, der kombinerer eksperimentelle data med teoretiske modeller, giver en detaljeret forståelse af dette materiale. Disse indsigter kunne bruges til at konstruere dette og andre lignende materialer med unikke og kontrollerbare egenskaber. Opdagelsen var resultatet af et samarbejde mellem forskere ved Penn, Universitetet i Fribourg, Det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS), Max Planck Institut for Kemisk Fysik af Faststoffer, og University of Maryland.

Teorierne bag topologiske isolatorer, materialer med en ledende overflade og en isolerende kerne, blev pioneret af Penns Charlie Kane og Eugene Mele, vindere af 2019 Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Gennem deres teoretiske bidrag om topologi og symmetri, Kane og Mele postulerede eksistensen af ​​denne nye klasse af materialer, dem, der kunne bruges til at skabe højeffektiv elektronik eller kvantecomputerplatforme.

"Men alle teoretikeres ønske er, at deres arbejde skal omsættes til den virkelige verden, " siger kemiker Andrew M. Rappe, som samarbejder med Kane og Mele om måder at opdage materialer fra den virkelige verden, der har disse eksotiske egenskaber. "Den nylige ansættelse af professor Liang Wu tager vores topologiske fysikgruppe til et nyt niveau, en hvor vi kan forstå materialerne og observere deres egenskaber, alt i et tæt på, samarbejdsloop."

Siden han kom til Penn i 2018, Wu og hans laboratorium har brugt optiske eksperimenter til at studere, hvordan lys interagerer med topologiske materialer og er interesserede i at validere nogle af de eksisterende teorier om denne klasse af materialer. Sidste år, kandidatstuderende Zhuoliang Ni udførte lysimpulslasereksperimenter med koboltmonosilicid (CoSi) for bedre at forstå forholdet mellem topologi og ikke-lineær optik og for at se, om de kunne bruge dette materiale til at omdanne lys til elektrisk strøm. De data, de indsamlede, syntes at antyde, at der kan være nogle unikke topologiske træk ved CoSi. "Jeg indså, at der er noget interessant i den optiske ledningsevne i sig selv, " siger Wu, som derefter kontaktede Mele og Rappe om at udvikle en teori for at hjælpe med at forklare resultaterne af deres eksperiment.

Mens CoSi var blevet undersøgt før, de nye data indsamlet af Wus laboratorium var af højere kvalitet end tidligere arbejde, giver forskerne mulighed for at udvikle en model, der gav en mere robust forklaring på deres resultater.

"Forudsigelserne fra topologisk fysik foreslog, at dette materiale skulle have nogle spændende egenskaber, såsom lineær optisk ledningsevne med stigende fotonenergi, men et rigtigt materiale har mange fænomener i gang på samme tid, " siger Rappe. "Teoretikere gør gradvist deres model mere kompliceret og realistisk, og eksperimentalisterne redegør for andre funktioner for at forenkle den eksperimentelle præsentation. Det er sådan, vi kommer til enighed om, hvilke træk der kan tilskrives de topologiske egenskaber."

Efter næsten et år med at analysere data og iterere på forskellige teorier, en af ​​de ting, der skilte sig ud var, hvor godt disse modeller, lige fra enkel til kompleks, aftalt med hinanden. "Det er overraskende at se dette niveau af enighed for os selv, " siger kandidatstuderende Zhenyao Fang, der ledede den teoretiske del af denne undersøgelse. "Nogle modeller er udelukkende afledt af fysiske teorier, og nogle er numeriske modeller afledt af første princips metoder, så det er overraskende at observere denne form for aftale mellem dem. "

Nu, takket være en kombination af renere data og robuste teoretiske modeller, denne sammenhæng mellem teorien og eksperimenterne demonstreret i dette papir repræsenterer et stort skridt fremad, siger Wu. "Overensstemmelsen mellem eksperiment og teori er ekstremt god, " tilføjer han. "Her giver vi et eksempel på en omfattende kombination af eksperiment og teoretisk forståelse, og dette kan anvendes på mange andre nye materialer eller systemer, der vil blive opdaget i fremtiden."

Fordi CoSi er i en familie af materialer med en meget almindelig krystalstruktur, materialet kunne bruges i legeringer med magnetisme, der er konstrueret til at have mere komplekse topologiske magnetiske egenskaber på grund af en evne til at kontrollere deres design atom for atom.

Dette arbejde er også et udstillingsvindue for Penns ekspertise inden for topologisk fysik og baner vejen for fremtidige eksperimentelle og teoretiske fremskridt på dette felt på universitetet, siger Rappe. "Vi har nu en levende gruppe, der fusionerer indsats inden for topologisk elektronik og fotonik, " siger han. "Topologisk fysik vokser, og vi har slået et spor, som andre mennesker kan følge med andre materialer til at designe ønskværdige opto-elektroniske egenskaber."