Fysikere demonstrerer paritetsanomali i en topologisk isolator

Eksperimentelle og teoretiske fysikere fra Würzburg Institut for Topologiske Isolatorer har observeret en genindtrædende kvante Hall-effekt i en kviksølvtellurid-anordning og har identificeret den som en signatur på paritetsanomali.

Topologiske isolatorer er materialer, der kan lede elektricitet, men kun på deres overflade eller kanter. Der løber ingen strøm inde i dem. De er genstand for intensiv forskning over hele verden, fordi de har unikke elektroniske egenskaber, der kan forbedre effektiviteten af ​​for eksempel kvantecomputere og bruges til andre teknologier såsom kryptering og sikker transmission af data.

Forskere fra Institut for Topologiske Isolatorer og Institut for Teoretisk Fysik og Astronomi ved Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) præsenterer nu en usædvanlig kvante Hall-effekt, der blev observeret på en mikroskopisk enhed lavet af det topologiske isolatormateriale kviksølvtellurid (HgTe) . Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science .

Tydelig eksperimentel observation

I kviksølvtellurid-anordningen opfører elektroner på top- og bundfladen sig som relativistiske Dirac-partikler. Som forudsagt, men ikke eksperimentelt verificeret af partikelfysik, skulle Dirac-partikler være underlagt den såkaldte paritetsanomali. I faststof-eksperimenter fører paritetsanomalien til en effekt kaldet spektral asymmetri, der kan måles som en usædvanlig ændring i den elektriske modstand.

"Paritetsanomalien er blevet forudsagt at forekomme i faststofmaterialer siden 1980'erne. Et berømt teoretisk forslag er modellen foreslået af Haldane (Nobelprisen i fysik i 2016). Vi har identificeret en anden konsekvens af paritetsanomalien, som er den første en, der skal verificeres eksperimentelt," siger professor Ewelina Hankiewicz.

Effekten er ikke specifik for kun kviksølvtellurid

JMU-fysikerne har realiseret denne todimensionelle Dirac-fysik på en enkelt overflade af den tredimensionelle topologiske isolator. "Vi observerer en ukonventionel re-entrant kvante Hall-effekt, der kan relateres direkte til forekomsten af ​​spektral asymmetri i en enkelt topologisk overfladetilstand. Effekten er generisk for enhver topologisk isolator, ikke specifik for kun kviksølvtellurid. Resultatets universalitet er det, der gør det så spændende," siger Dr. Wouter Beugeling.

To udfordringer skulle overvindes for at realisere disse nye resultater. Først skulle signaturen for spektral asymmetri identificeres blandt de andre funktioner i den målte elektriske modstand. For det andet skulle enheden styres på en sådan måde, at effekterne fra de to overflader ikke ophævede hinanden.

Højt kontrolniveau giver mulighed for yderligere udforskning

"Denne observation viser, at det høje niveau af kontrol, vi har i denne enhed, giver os mulighed for at udforske mange flere interessante aspekter af topologisk isolatorfysik end før," siger professor Laurens Molenkamp.

En nøglefaktor for at opnå den eksperimentelle nøjagtighed, der kræves til denne observation, var den høje kvalitet af HgTe-materialet, som blev produceret i den molekylære stråleepitaxi-facilitet ved Würzburg Institute of Physics. Molecular beam epitaxy (MBE) er en teknik til fremstilling af wafertynde lag af materiale med tilpassede elektroniske, optiske og magnetiske egenskaber. Med MBE kan lagstrukturer opbygges præcist atomlag for atomlag.

Flere oplysninger: Li-Xian Wang et al., Spectral Asymmetry Induces a Re-Entrant Quantum Hall Effect in a Topological Insulator, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202307447

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Julius-Maximilians-Universität Würzburg