Fysikere opdager en ny kvantetilstand i et elementært fast stof

Fysikere har observeret en ny kvanteeffekt kaldet "hybrid topologi" i et krystallinsk materiale. Denne konstatering åbner op for en ny række af muligheder for udvikling af effektive materialer og teknologier til næste generations kvantevidenskab og -teknik.

Fundet, offentliggjort i Nature , kom, da Princeton-forskere opdagede, at en elementær fast krystal lavet af arsen-(As)-atomer er vært for en aldrig-før-observeret form for topologisk kvanteadfærd. De var i stand til at udforske og afbilde denne nye kvantetilstand ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop (STM) og fotoemissionsspektroskopi, sidstnævnte en teknik, der bruges til at bestemme den relative energi af elektroner i molekyler og atomer.

Denne tilstand kombinerer, eller "hybridiserer", to former for topologisk kvanteadfærd - kanttilstande og overfladetilstande, som er to typer kvante todimensionelle elektronsystemer. Disse er blevet observeret i tidligere eksperimenter, men aldrig samtidigt i det samme materiale, hvor de blandes for at danne en ny stoftilstand.

"Dette fund var fuldstændig uventet," sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University, som ledede forskningen. "Ingen forudsagde det i teorien før det blev observeret."

I de senere år har studiet af topologiske tilstande af stof tiltrukket sig betydelig opmærksomhed blandt fysikere og ingeniører og er i øjeblikket i fokus for megen international interesse og forskning. Dette studieområde kombinerer kvantefysik med topologi - en gren af ​​teoretisk matematik, der udforsker geometriske egenskaber, der kan deformeres, men ikke iboende ændres.

I mere end et årti har forskere brugt bismuth (Bi)-baserede topologiske isolatorer til at demonstrere og udforske eksotiske kvanteeffekter i faste stoffer, hovedsageligt ved at fremstille sammensatte materialer, som for eksempel at blande Bi med selen (Se). Dette eksperiment er imidlertid første gang, topologiske effekter er blevet opdaget i krystaller lavet af grundstoffet As.

"Søgningen og opdagelsen af ​​nye topologiske egenskaber af stof er dukket op som en af ​​de mest eftertragtede skatte i moderne fysik, både fra et grundlæggende fysiksynspunkt og for at finde potentielle anvendelser i næste generations kvantevidenskab og teknik," sagde Hasan. "Opdagelsen af ​​denne nye topologiske tilstand lavet i et elementært fast stof blev muliggjort af adskillige innovative eksperimentelle fremskridt og instrumenter i vores laboratorium i Princeton."

Et elementært fast stof tjener som en uvurderlig eksperimentel platform til at teste forskellige topologibegreber. Indtil nu har bismuth været det eneste element, der er vært for et rigt gobelin af topologi, hvilket førte til to årtiers intensive forskningsaktiviteter. Dette tilskrives til dels materialets renhed og let syntese. Imidlertid vil den nuværende opdagelse af endnu rigere topologiske fænomener i arsen potentielt bane vejen for nye og vedvarende forskningsretninger.

"For første gang demonstrerer vi, at i lighed med forskellige korrelerede fænomener kan forskellige topologiske ordener også interagere og give anledning til nye og spændende kvantefænomener," sagde Hasan.

Et topologisk materiale er hovedkomponenten, der bruges til at undersøge kvantetopologiens mysterier. Denne enhed fungerer som en isolator i dets indre, hvilket betyder, at elektronerne indeni ikke er frie til at bevæge sig rundt og derfor ikke leder elektricitet.

Elektronerne på enhedens kanter er dog frie til at bevæge sig rundt, hvilket betyder, at de er ledende. På grund af topologiens særlige egenskaber er elektronerne, der strømmer langs kanterne, desuden ikke hæmmet af nogen defekter eller deformationer. Denne type enhed har potentialet til ikke kun at forbedre teknologien, men også til at skabe en større forståelse af selve stoffet ved at undersøge kvanteelektroniske egenskaber.

Hasan bemærkede, at der er stor interesse for at bruge topologiske materialer til praktiske anvendelser. Men der skal ske to vigtige fremskridt, før dette kan realiseres. For det første skal kvantetopologiske effekter manifesteres ved højere temperaturer. For det andet skal der findes enkle og elementære materialesystemer (som silicium til konventionel elektronik), der kan være vært for topologiske fænomener.

"I vores laboratorier har vi indsats i begge retninger - vi søger efter enklere materialesystemer med let fremstilling, hvor der kan findes væsentlige topologiske effekter," sagde Hasan. "Vi søger også efter, hvordan disse effekter kan fås til at overleve ved stuetemperatur."

Baggrund for eksperimentet

Opdagelsens rødder ligger i kvante-Hall-effektens virkemåde – en form for topologisk effekt, der var genstand for Nobelprisen i fysik i 1985. Siden dengang er topologiske faser blevet undersøgt, og mange nye klasser af kvantematerialer med topologiske elektroniske strukturer er fundet. Mest bemærkelsesværdigt er, at Daniel Tsui, Arthur Legrand Doty-professoren i elektroteknik, emeritus, ved Princeton, vandt 1998 Nobelprisen i fysik for at opdage den fraktionelle kvante Hall-effekt.

Tilsvarende vandt F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton, 2016 Nobelprisen i fysik for teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og en type todimensionel (2D) topologisk isolator. Efterfølgende teoretiske udviklinger viste, at topologiske isolatorer kan tage form af to kopier af Haldanes model baseret på elektronens spin-kredsløbsinteraktion.

Hasan og hans forskerhold har fulgt i disse forskeres fodspor ved at undersøge andre aspekter af topologiske isolatorer og søge efter nye stoftilstande. Dette førte dem i 2007 til opdagelsen af ​​de første eksempler på tredimensionelle (3D) topologiske isolatorer. Siden da har Hasan og hans team været på en årtier lang søgen efter en ny topologisk tilstand i sin enkleste form, der også kan fungere ved stuetemperatur.

"Et passende atomkemi og strukturdesign koblet til teorien om de første principper er det afgørende skridt for at gøre topologiske isolatorers spekulative forudsigelse realistisk i høje temperaturer," sagde Hasan.

"Der er hundredvis af kvantematerialer, og vi har brug for både intuition, erfaring, materialespecifikke beregninger og intense eksperimentelle bestræbelser for til sidst at finde det rigtige materiale til dybdegående udforskning. Og det tog os på en årtier lang rejse med at undersøge mange bismuth -baserede materialer, hvilket fører til mange grundlæggende opdagelser."

Eksperimentet

Bismuth-baserede materialer er i det mindste i princippet i stand til at være vært for en topologisk tilstand af stof ved høje temperaturer. Disse kræver imidlertid komplekse materialer forberedelse under ultrahøjt vakuum forhold, så forskerne besluttede at udforske flere andre systemer. Postdoc-forsker Md. Shafayat Hossain foreslog en krystal lavet af arsen, fordi den kan dyrkes i en form, der er renere end mange vismutforbindelser.

Da Hossain og Yuxiao Jiang, en kandidatstuderende i Hasan-gruppen, tændte STM'en på arsenikprøven, blev de mødt med en dramatisk observation - grå arsen, en form for arsen med et metallisk udseende, rummer både topologiske overfladetilstande og kanttilstande samtidigt.

"Vi blev overraskede. Grå arsen skulle kun have overfladetilstande. Men da vi undersøgte de atomare trinkanter, fandt vi også smukke ledende kanttilstande," sagde Hossain.

"En isoleret enkeltlags trinkant bør ikke have en spaltefri kanttilstand," tilføjede Jiang, en medforfatter af undersøgelsen.

Dette er, hvad der ses i beregninger af Frank Schindler, en postdoc-stipendiat og kondenseret stof-teoretiker ved Imperial College London i Det Forenede Kongerige, og Rajibul Islam, en postdoc-forsker ved University of Alabama i Birmingham, Alabama. Begge er co-first forfattere af papiret.

"Når en kant er placeret oven på bulkprøven, hybridiserer overfladetilstandene med de spaltede tilstande på kanten og danner en spaltefri tilstand," sagde Schindler.

"Det er første gang, vi har set sådan en hybridisering," tilføjede han.

Fysisk forventes en sådan mellemrumstilstand på trinkanten ikke for hverken stærke eller højere-ordens topologiske isolatorer separat, men kun for hybridmaterialer, hvor begge slags kvantetopologi er til stede. Denne mellemrumstilstand er også i modsætning til overflade- eller hængseltilstande i henholdsvis stærke og højere-ordens topologiske isolatorer. Dette betød, at den eksperimentelle observation fra Princeton-teamet øjeblikkeligt indikerede en topologisk tilstand, der aldrig tidligere er observeret.

David Hsieh, formand for fysikafdelingen ved Caltech og en forsker, der ikke var involveret i undersøgelsen, pegede på undersøgelsens innovative konklusioner.

"Typisk betragter vi bulkbåndstrukturen af ​​et materiale for at falde ind i en af ​​flere forskellige topologiske klasser, hver bundet til en bestemt type grænsetilstand," sagde Hsieh. "Dette arbejde viser, at visse materialer samtidigt kan falde i to klasser. Mest interessant er det, at de grænsetilstande, der opstår fra disse to topologier, kan interagere og rekonstruere til en ny kvantetilstand, der er mere end blot en superposition af dens dele."

Forskerne underbyggede yderligere scanningstunnelmikroskopimålingerne med systematisk højopløsningsvinkelopløst fotoemissionsspektroskopi.

"Den grå As-prøve er meget ren, og vi fandt klare signaturer af en topologisk overfladetilstand," sagde Zi-Jia Cheng, en kandidatstuderende i Hasan-gruppen og en medførsteforfatter af papiret, som udførte nogle af fotoemissionsmålingerne .

Kombinationen af ​​flere eksperimentelle teknikker gjorde det muligt for forskerne at undersøge den unikke bulk-overflade-kant korrespondance forbundet med den hybride topologiske tilstand – og bekræfte de eksperimentelle resultater.

Konsekvenser af resultaterne

Virkningen af ​​denne opdagelse er dobbelt. Observationen af ​​den kombinerede topologiske kanttilstand og overfladetilstanden baner vejen for at konstruere nye topologiske elektrontransportkanaler. Dette kan muliggøre design af ny kvanteinformationsvidenskab eller kvantecomputerenheder.

Princeton-forskerne demonstrerede, at de topologiske kanttilstande kun er til stede langs specifikke geometriske konfigurationer, der er kompatible med krystallens symmetrier, hvilket belyser en vej til at designe forskellige former for fremtidige nanoenheder og spin-baseret elektronik.

Fra et bredere perspektiv har samfundet fordel, når nye materialer og egenskaber opdages, sagde Hasan. I kvantematerialer har identifikation af elementære faste stoffer som materialeplatforme, såsom antimon, der er vært for en stærk topologi eller vismut, der er vært for en højere-ordens topologi, ført til udviklingen af ​​nye materialer, der har været til stor gavn for topologiske materialer.

"Vi forestiller os, at arsen, med sin unikke topologi, kan tjene som en ny platform på et lignende niveau til udvikling af nye topologiske materialer og kvanteenheder, som i øjeblikket ikke er tilgængelige via eksisterende platforme," sagde Hasan.

Princeton-gruppen har designet og bygget nye eksperimenter til udforskning af topologiske isolatormaterialer i over 15 år. Mellem 2005 og 2007 opdagede for eksempel holdet ledet af Hasan topologisk orden i et tredimensionelt vismut-antimon bulk fast stof, en halvledende legering og relaterede topologiske Dirac materialer ved hjælp af nye eksperimentelle metoder.

Dette førte til opdagelsen af ​​topologiske magnetiske materialer. Mellem 2014 og 2015 opdagede og udviklede de en ny klasse af topologiske materialer kaldet magnetiske Weyl-halvmetaller.

Forskerne mener, at dette fund vil åbne døren til en lang række fremtidige forskningsmuligheder og anvendelser inden for kvanteteknologier, især inden for såkaldte "grønne" teknologier.

"Vores forskning er et skridt fremad i at demonstrere potentialet af topologiske materialer til kvanteelektronik med energibesparende applikationer," sagde Hasan.

Flere oplysninger: M. Zahid Hasan, En hybrid topologisk kvantetilstand i et elementært fast stof, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07203-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Princeton University