Fysikere finder stuetemperatur, 2D-til-1D topologisk overgang

Et team fra Rice University og dets samarbejdspartnere har opdaget en rumtemperaturovergang mellem 1D og 2D elektriske ledningstilstande i topologiske krystaller af vismut og jod.

Forskere fandt ud af, at de kunne skifte materialet, krystallinske kæder af bismuthiodid (Bi ₄ jeg ₄ ), mellem lav- og højordens ledningstilstande ved en overgangstemperatur omkring 80 grader Fahrenheit. Forskningen er tilgængelig online i denne uge i tidsskriftet American Physical Society Fysisk gennemgang X og blev udført af fysikere fra Rice; University of Texas i Dallas; University of California, Berkeley; Ohio State University; og andre institutioner.

Bi ₄ jeg ₄ er en topologisk isolator, et materiale, der er ledende på dets overflade eller kanter, men ikke på dets indre. Krystalgitteret af Bi ₄ jeg ₄ gennemgår et subtilt skift ved overgangstemperaturen. Skiftet ændrer materialets elektroniske adfærd, og undersøgelsen viste denne ændring, eller "faseovergang, " er grænsen mellem 1D og 2D topologiske ledningstilstande.

2D-tilstanden med høj temperatur har elektrisk ledning omkring fire sider af de rektangulære krystaller. Risfysikere Ming Yi, Jianwei Huang og deres samarbejdspartnere opdagede, at ledning gik over til 1D-kanter, da materialet blev afkølet under 80 grader.

"Dette er det første bevis, der tyder på, at lavtemperaturtilstanden faktisk er en topologisk isolator af højere orden, hvor ledning sker på krystalhængslerne i modsætning til overfladerne, " sagde Yi, en assisterende professor i fysik og astronomi og medkorresponderende forfatter til PRX-undersøgelsen. "Forestil dig at starte i højtemperaturtilstand, hvor man har en isolerende bulk og ledningsflader rundt om materialets sider. Så snart du går igennem denne strukturelle forvrængning, ledningen er begrænset til de endimensionelle hængsler, hvor disse sider mødes."

I de fleste materialer, forskellene mellem faser - som fast is eller flydende vand - opstår fra forskellige organisatoriske symmetrier af deres bestanddele. I 1980'erne, fysikere opdagede faser af stof med identiske symmetrier. Disse blev til sidst vist at stamme fra topologiske egenskaber, "beskyttede" kvantetilstande, der er af stigende interesse for kvanteberegning.

Yi sagde den dimensionelle ændring i elektrisk ledning medieret af Bi ₄ jeg ₄ 's faseovergang kunne potentielt bruges til at konstruere en elektrisk kontakt, der betjenes ved at ændre temperatur.

"Denne overgang sker ved stuetemperatur, " sagde Yi. "Det er en førsteordens faseovergang, hvilket betyder, at ændringen sker meget pludseligt. Det er et lille skift af krystalgitteret, der direkte påvirker den elektriske ledning på krystalgrænserne."

Huang, en Rice-postdoc-forsker og undersøgelsens hovedforfatter, nævnte laboratorier verden over ræser om at finde og katalogisere topologiske materialer, og fysikere er først for nylig begyndt at klassificere dem i underfamilier.

Mens Bi ₄ jeg ₄ 's kombination af egenskaber er unik, Huang sagde, at denne uges opdagelse kunne hjælpe med at søge efter lignende topologiske materialer.

"Vores resultater er i overensstemmelse med nyere teoretiske forudsigelser om topologiske isolatorer af højere orden, der ligger uden for rammerne af de etablerede topologiske materialedatabaser, " han sagde.

Yi's laboratorium og samarbejdspartnere i laboratoriet i UC Berkeley co-korresponderende forfatter Robert Birgeneau brugte en eksperimentel teknik kaldet angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) til at kortlægge Bi ₄ jeg ₄ 's elektroniske band funktioner.

"ARPES er den bedste sonde til at se på topologiske materialer, fordi der er en meget tydelig signatur, der vil fortælle, om materialer er topologiske eller ej, " hun sagde.

For at skelne mellem 1D og 2D ledningstilstande, hendes hold skulle "se på forskellige overflader, og det er ekstremt svært at gøre, " sagde Yi.

Yi sagde, at kritiske bidrag kom fra UT Dallas co-korresponderende forfattere Fan Zhang, der gav teoretisk vejledning og forudsigelse, og Bing Lv, hvis laboratorium syntetiserede Bi ₄ jeg ₄ krystaller, der var så meget som en centimeter lange, en millimeter bred og flere hundrede mikrometer tyk. Størrelsen af ​​krystallerne gjorde det muligt for Huang at foretage afgørende ARPES-målinger på både toppen og siderne af materialerne.