En ladningstæthed-bølge topologisk semimetall

Topologiske materialer er karakteriseret ved unikke elektroniske og fysiske egenskaber, der er bestemt af den underliggende topologi af deres elektroniske systemer. Forskere fra Max Planck Institutes for Microstructure Physics (Halle) og for Chemical Physics of Solids (Dresden) har nu opdaget, at (TaSe) ₄ ) ₂ I er det første materiale, hvori en ladningstæthedsbølge inducerer en faseovergang mellem semimetallisk til isolatortilstand.

Et internationalt hold af forskere ved Max Planck Institute for Microstructure Physics, Halle (Saale), Max Planck-instituttet for kemisk fysik af faste stoffer i Dresden, Oxford University, det kinesiske videnskabsakademi, MIT, og Princeton University har opdaget det første eksempel på en korrelationsdrevet topologisk faseovergang fra semimetall til isolator i enkeltkrystaller af materialet (TaSe ₄ ) ₂ I. I løbet af de sidste par år har der været stigende interesse for området topologiske materialer, der viser unikke elektroniske og fysiske egenskaber afledt af den underliggende topologi af deres elektroniske systemer. (TaSe ₄ ) ₂ I er et usædvanligt materiale, som er kendt for at undergå en strukturel forvrængning lige under stuetemperatur som følge af en ladningstæthedsbølge.

På grund af elektronkorrelationer bliver elektrongassen i systemet ustabil over for en lang række periodiske variation af elektronladningstætheden, der er tæt koblet til en periodisk modulering af atompositionerne i krystalstrukturen. Samtidig har det samme materiale vist sig at være et topologisk metal af en bestemt type, nemlig et Weyl-halvmetal. Denne type topologisk metal har et elektronisk system, der viser Weyl-punkter, hvor lineært spredte elektroniske bånd krydser hinanden uden at danne et energibåndgab. Disse Weyl-punkter i (TaSe ₄ ) ₂ Jeg kommer i par, som hver har en modsat chiralitet, og forfatterne af papiret viser, at (TaSe ₄ ) ₂ Jeg har 24 par af sådanne punkter med en tilsvarende enorm såkaldt chiral ladning på +16.

I undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik, ved hjælp af et sæt sofistikerede eksperimentelle prober af den elektroniske og krystalstruktur, det internationale hold, hvis medlemmer omfatter eksperimentalisterne Claudia Felser, Direktør ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Holger Meyerheim, en forsker, og Stuart Parkin, Direktør, ved Max Planck Institute for Microstructure Physics, Yulin Chen fra Oxford University, og teoretiker Andrei Bernevig fra Princeton University, viste, at de topologiske egenskaber af denne forbindelse er tæt forbundet med ladningstæthedsbølgen, hvis bølgevektor er afledt af forbindelserne mellem Weyl-punkter med modsat chiral ladning.

"Det var meget udfordrende, men meget spændende, at identificere ladningstæthedsbølgen i dette materiale. Vi var nødt til at bruge meget strålende røntgenkilder til rådighed, for eksempel, ved European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, at finde de meget svage diffraktionsspidssignaturer for ladningstæthedsbølgen, " påpegede Meyerheim. Efterhånden som prøven køles ned, driver stærke elektronkorrelationer systemet ind i ladningstæthedsbølgetilstanden, hvilket resulterer i en overgang fra et topologisk Weyl-halvmetal til en isolator. På samme tid, ny fysik, rapporteret i et tidligere papir af de samme grupper, vises under overgangen.

"Hvem ville have troet, at vi ville have fundet en så sofistikeret korreleret elektronfysik i sådan et 1-D-materiale, " bemærker Felser. Dette arbejde viser en intim sammenhæng mellem topologi og korrelationer og giver mulighed for at observere kondenseret stof-realiseringer af aksionselektrodynamik - en ny type kobling mellem elektriske og magnetiske felter - i et regime, der tidligere var utilgængeligt. Selvom dette er et første eksempel, "vores beregninger af de elektroniske strukturer af mange materialer gør os sikre på, at der skal være mange flere sådanne systemer, hvor korrelationer og topologi flettes ind i hinanden", bemærkede Bernevig, og "vi er spændte på at lede efter dem i eksperimenter, " tilføjede Yulin. Ved at manipulere begyndelsen af ​​ladningstæthedsbølgen kan man få direkte adgang til den Topologiske Weyl Semimetal-Axion Insulator overgang. "Disse materialer er en rig legeplads for potentielle anvendelser i fremtidige elektroniske enheder, et nyt felt af, hvad man kan kalde "topaxtronics!" Det forudser Stuart Parkin.