Forskning afslører kvantetopologisk potentiale i materiale

Ny forskning i topologiske faser af stof kan anspore til fremskridt inden for innovative kvanteanordninger. Som beskrevet i et nyt papir offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications , brugte et forskerhold inklusive Los Alamos National Laboratory-forskere en ny strain engineering-tilgang til at omdanne materialet hafniumpentatellurid (HfTe₅ ) til en stærk topologisk isolatorfase, hvilket øger dens bulk elektriske modstand, mens den sænkes ved overfladen, en nøgle til at låse op for dets kvantepotentiale.

"Jeg er begejstret over, at vores team var i stand til at vise, at de undvigende og meget eftertragtede topologiske overfladetilstande kan bringes til at blive en dominerende elektrisk ledningsvej," sagde Michael Pettes, videnskabsmand ved Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) på Laboratoriet.

"Dette er lovende for udviklingen af ​​typer kvanteoptoelektroniske enheder, mørkt stofdetektorer og topologisk beskyttede enheder såsom kvantecomputere. Og den metode, vi demonstrerer, er kompatibel med eksperimenter med andre kvantematerialer."

Strain engineering tilgang giver resultater

På University of California, Irvine dyrkede medlemmer af forskerholdet HfTe₅ krystaller og anvendte en strain engineering-tilgang – påføring af mekanisk kraft på materialet – ved kryogene temperaturer på 1,5 Kelvin eller cirka minus 457 grader Fahrenheit.

På Pettes' CINT-laboratorium i Los Alamos gennemgik prøverne optisk spektroskopi for at afbilde prøven på submikronniveau. CINT-forskere udførte derefter vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi ved University of Tennessee, og hjalp med at belyse virkningerne af strain engineering.

Forskerholdet indså, at strain engineering ændrede adfærden af ​​HfTe₅ , hvilket gør det fra en svag topologisk isolator til en stærk topologisk isolator. Det vil sige, at materialets bulk elektriske resistivitet, eller modstand mod at lade elektrisk strøm passere igennem, steg med mere end tre størrelsesordener.

Materialet så også dets topologiske overfladetilstande dominere den elektroniske transport. Disse egenskaber kunne gøre HfTe₅ velegnet til kvanteenheder. De lovende resultater lover også godt for at udvide den strain engineering tilgang til studiet af topologiske faseovergange i van der Waals materialer og heterostrukturer, gitterlignende strukturer karakteriseret ved en stærk in-plane binding og en svag out-of-plane binding blandt atomer eller molekyler, som siderne i en bog.

Når den studeres med et højt magnetfelt, kan den nyopdagede topologiske egenskab hjælpe med at afdække fænomener relateret til eksotisk fysik, såsom kvanteanomalier, det uforklarlige brud af symmetri i fysik. Nye eksperimenter udføres på Los Alamos National High Magnetic Field Laboratory-Pulsed Field Facility emne HfTe₅ at belaste under ultrahøje magnetfelter op til 65 Tesla.

Flere oplysninger: Jinyu Liu et al., Kontrollerbar belastningsdrevet topologisk faseovergang og dominerende overflade-tilstandstransport i HfTe5, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44547-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Los Alamos National Laboratory