Metode milepæl for kvantefysik:Hurtig test for topologiske 2D materialer

Topologiske kvantematerialer hyldes som en hjørnesten i fremtidige teknologiske fremskridt. Alligevel har validering af deres exceptionelle kvaliteter altid været en langvarig proces.

Forskere ved Cluster of Excellence ct.qmat har nu udviklet en eksperimentel teknik, der systematisk identificerer todimensionelle topologiske materialer gennem en hurtig test. Dette gennembrud kan hjælpe med at fremskynde fremskridtene for denne blomstrende klasse af materialer.

Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

I 2007 leverede professor Laurens W. Molenkamp, ​​et stiftende medlem af Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter—det første eksperimentelle bevis for topologiske isolatorer, en ny klasse af materialer. Disse materialer skiller sig ud, fordi selvom deres indre opfører sig som en elektrisk isolator, leder de elektroner på deres overflade uden nogen modstand.

Siden den banebrydende opdagelse er den globale interesse for disse materialer steget. Dette er drevet af deres kritiske rolle i en potentiel materialerevolution og deres lovende anvendelser inden for kvanteteknologier, såsom udviklingen af ​​"kolde chips", der er kraftfulde, energieffektive og ikke genererer spildvarme.

"I øjeblikket indebærer påvisning af topologiske isolatorer eksperimentelt meget kompleks forskning. Det kræver et stort team og en betydelig mængde tid at forberede en prøve af materialet. Desuden er succesfuld påvisning aldrig sikret," bemærker ct.qmats Würzburg-talsmand, professor Ralph Claessen.

Hurtig test for materialerevolutionen

Men nu har et ct.qmat-forskerhold i Würzburg udtænkt en systematisk metode til at identificere todimensionelle topologiske kvantematerialer på rekordtid ved hjælp af en langt enklere måleteknik. "I bund og grund, ud over en lovende materialeprøve, er alt, hvad du virkelig behøver, specielle røntgenstråler," forklarer Dr. Simon Moser, projektlederen fra JMU Würzburg.

"De påkrævede lyspartikler skal være højfrekvente og cirkulært polariserede, hvilket betyder, at de har vinkelmomentum. Dette kan opnås ved hjælp af enhver synkrotronlyskilde.

"For eksempel blev vores prøver bestrålet på Elettra Sincrotrone i Trieste og ved Diamond Light Source, Storbritanniens nationale synkrotronvidenskabsfacilitet på Harwell Science and Innovation Campus i Oxfordshire."

Det, der lyder simpelt, er faktisk et væsentligt gennembrud i forskningen i topologiske kvantematerialer. "Hvis du sikrer et slot ved en synkrotron, kan du inden for cirka en uge afgøre, om et materiale er en topologisk isolator. Med den traditionelle metode kræver dette mindst en doktorafhandling," bemærker Moser.

Spindende succes med dikroisk fotoemission

Essensen af ​​den nye hurtige testmetode ligger i dikroisk fotoemission. Materialeprøven udsættes flere gange for højfrekvent lys med varierende polarisering. I første omgang er det kun elektroner, der eksempelvis roterer med uret, der frigives fra materialet. Efterfølgende frigives kun de elektroner, der roterer mod uret.

At detektere elektronernes forskellige rotationsretninger ved hjælp af dikroisk fotoemission og dermed afdække deres topologi er ikke en ny idé. I 2023 brugte et andet ct.qmat-hold fra Würzburg denne metode til at analysere topologien af ​​et kagome-metal for første gang.

"De brugte cirkulær fotoemission til at undersøge kagome-metallet. Vi fokuserede på metodikken og udviklede en slags opskrift, der nu altid virker, ikke bare ved et tilfælde," siger Moser og forklarer sit teams nye tilgang. "Vores hurtige test gør systematisk elektronernes topologi synlig."

Da forskerne har en lang erfaring med at undersøge det todimensionelle kvantemateriale indenen, brugte de også dette materiale til at udvikle den hurtige testmetode. Derudover anvender de allerede princippet på andre materialer. Et nyligt eksperiment involverede bestråling af en bismuthenprøve, og dataene vil snart blive analyseret.