Forskere opdager dobbelte topologiske faser i en iboende monolag krystal

To topologiske faser er blevet opdaget i en iboende monolag krystal, et fund, der afslører nye og unikke regelbøjningsegenskaber i et kvantemateriale, rapporterede et internationalt hold af forskere ledet af Boston College fysikere for nylig i onlineversionen af ​​tidsskriftet Naturen .

Opdagelsen af ​​en dobbelt topologisk isolator introducerer en ny metode til at skabe topologiske flade minibånd gennem elektroninteraktioner, som tilbyder en lovende platform til at udforske eksotiske kvantefaser og elektromagnetisme, rapporterede holdet.

"Vi har eksperimentelt produceret højkvalitets, atomisk tynde prøver af TaIrTe₄ og udviklet tilsvarende elektroniske enheder," Boston College assisterende professor i fysik Qiong Ma, hovedforfatteren af ​​rapporten. "Det, der er særligt spændende, er vores opdagelse af ikke blot én, men to topologiske isolerende tilstande, ud over teoriens forudsigelser."

Resultaterne introducerer en ny effekt, som holdet kalder den dobbelte topologiske isolator eller den dobbelte kvantespin Hall-isolator, sagde Ma.

Usædvanligt tynde, todimensionelle lag af et krystallinsk materiale kaldet TaIrTe₄ , skabt af tantal, iridium og tellur, var i fokus for holdet af videnskabsmænd fra BC, MIT, Harvard University, UCLA, Texas A&M, University of Tennessee, Singapores Nanyang Technological University, det kinesiske videnskabsakademi og Japans nationale Institut for Materialevidenskab.

Hvert lag er mindre end 1 nanometer tykt - det er over 100.000 gange tyndere end et hårstrå. Disse lag, eller "flager", blev forsigtigt pillet af fra en større krystal ved hjælp af en simpel metode, der involverede klar klæbende tape, en Nobelpris-belønnet teknik, der anvendes i vid udstrækning inden for materialevidenskab.

"Vores undersøgelse havde til formål at forstå, hvordan disse materialer leder elektricitet," sagde Ma. "I betragtning af den lille størrelse af disse materialer, brugte vi avancerede nanofabrikationsteknikker, herunder fotolitografi og elektronstrålelitografi, til at etablere elektriske kontakter i nanostørrelse."

Ma sagde, at projektets primære mål var at teste den teoretiske forudsigelse, der tyder på den tyndeste TaIrTe₄ lag fungerer som en todimensionel topologisk isolator - også kendt som en quantum spin Hall isolator - et nyt materiale, hvor dets indre er isolerende og elektricitet flyder langs dets grænser uden energitab. Denne unikke kombination gør disse materialer til et fokus for forskere, der forsøger at udvikle fremtidige generationer af energieffektive elektroniske enheder.

Gennem manipulation af specifikke parametre – omtalt som gate-spændinger – fandt holdet TaIrTe₄ 's overgang mellem de to adskilte topologiske tilstande, sagde Ma. I begge tilfælde udviser materialet nul elektrisk ledningsevne i dets indre, mens dets grænser forbliver ledende. Gennem systematisk eksperimentel og teoretisk undersøgelse har vi fastslået, at disse to topologiske tilstande stammer fra forskellig oprindelse.

Resultaterne, som oversteg de teoretiske forudsigelser, overraskede forskerne.

"Typisk øger tilføjelse af elektroner til et materiale dets ledningsevne på grund af det større antal ladnings- eller elektricitetsbærere," sagde Ma. "I starten opførte vores system sig som forventet og blev mere ledende med tilføjelse af elektroner.

"Men ud over et vist punkt vendte tilføjelse af flere elektroner uventet det indre isolerende igen, med elektrisk ledning kun ved grænserne og uden energitab, hvilket præcis igen er en topologisk isolerende fase ligesom ved udgangspunktet, hvor det indre ikke har nogen elektroner Denne overgang til en anden topologisk isoleringsfase er fuldstændig uventet."

Ma sagde, at det fremtidige arbejde med opdagelsen omfatter samarbejder med grupper, der er dygtige i andre specialiserede teknikker, såsom nanoskala-billedprober, for yderligere at forstå den uventede adfærd.

"Vi vil også fokusere på at forfine vores materiales kvalitet for at forbedre den allerede imponerende dissipationsfri topologiske ledning," sagde Ma. "Desuden planlægger vi at bygge heterostrukturer baseret på dette nye materiale for at låse op for endnu mere spændende fysisk adfærd."

På Boston College samarbejdede Ma med professorer i fysik Kenneth Burch og Ziqiang Wang; personale på University Clean Room; BC post-docs Jian Tang, Zumeng Huang og Zhe Sun; kandidatstuderende Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich og Yiping Wang; og Zihan Wang, en gæstende bachelorforsker.

Flere oplysninger: Jian Tang et al., Dual quantum spin Hall-isolator ved tæthedsjusterede korrelationer i TaIrTe₄ , Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Boston College