Overfladen ved, hvad der ligger under:Fysikere viser, hvordan man kan detektere topologiske isolatorer af højere orden

Ligesom en bog ikke kan bedømmes ud fra omslaget, kan et materiale ikke altid bedømmes ud fra dets overflade. Men for en undvigende formodet klasse af materialer har fysikere nu vist, at overfladen, der tidligere blev anset for at være "featureless", har en umiskendelig signatur, der kunne føre til den første definitive observation.

Topologiske isolatorer af højere orden, eller HOTI'er, har tiltrukket sig opmærksomhed for deres evne til at lede elektricitet langs endimensionelle linjer på deres overflader, men denne egenskab er ret svær at eksperimentelt adskille fra andre effekter. Ved i stedet at studere det indre af disse materialer fra et andet perspektiv, har et team af fysikere identificeret en overfladesignatur, der er unik for HOTI'er, og som kan bestemme, hvordan lys reflekteres fra deres overflader.

Som teamet rapporterer i tidsskriftet Nature Communications, denne egenskab kunne bruges til eksperimentelt at bekræfte eksistensen af ​​sådanne topologiske tilstande i virkelige materialer.

"Hoti'ers og andre topologiske isolatorers hoved- eller indvendige egenskaber er blevet udelukket i lang tid, men det viser sig, at der også foregår en masse interessante ting der," siger Barry Bradlyn, fysikprofessor ved University of Illinois Urbana-Champaign og en projektleder. "Da vi så på overfladerne gennem en mere omhyggelig linse, skilte de sig straks ud som langt fra trivielle eller uden karakteristiske træk."

I lang tid har topologiske isolatorer været kendt for deres evne til at føre elektriske strømme på deres overflader, mens de har isolerende indre. HOTI'er ville dog begrænse elektrisk ledning til en endimensionel kant eller "hængsel" snarere end hele den todimensionelle overflade.

"Charles Kane, der opdagede topologiske isolatorer, introducerede en god analogi," sagde Benjamin Wieder, et fakultetsmedlem ved Institut de Physique Théorique, Université Paris-Saclay og projektleder. "Vi kan tænke på standard topologiske isolatorer som Hershey's Kisses. En ledende metalfolie viklet rundt om en isolator, der ikke leder elektricitet, chokoladen i dette tilfælde, er en ret god måde at forstå dem på. Med HOTI'er er det dog som om nogen tog folien og krøllede den til en tynd ring, der omkranser chokoladen."

Mens overfladeledende tilstande er blevet observeret i standard topologiske isolatorer, har det vist sig at være usædvanligt vanskeligt at løse hængslet i HOTI'er. Bradlyn forklarede, at denne egenskab kun kan eksistere i materialeprøver, der har en usædvanlig høj grad af symmetri, hvilket betyder, at deres krystalstrukturer skal være urealistisk perfekte.

I stedet vendte Bradlyn og hans samarbejdspartnere deres opmærksomhed fra hængseltilstanden til det indre, hvor elektronerne har en tendens til at "delokalisere" fra individuelle atomer og spredes gennem hele materialet. I modsætning til tidligere undersøgelser, der behandler alle elektroner ens, overvejede forskerne forskelle i spin - en egenskab ved elektroner, der gør det muligt for dem at opføre sig som miniaturemagneter.

"Da vi delte de indre elektroner i deres to mulige spin-tilstande, op og ned, så vi, at hver tilstand efterlader en unik overfladesignatur," sagde Kuan-Sen Lin, en fysikstuderende ved U. of I. og undersøgelsens hovedforfatter. "Selvom overfladen af ​​en HOTI virker uinteressant, når du ser på, hvad hvert spin laver separat på overfladen, dukker der en umiskendelig ny adfærd op, som vi håber snart vil blive målt i eksperimentet."

Fordi elektroner med forskellige spins opfører sig som magneter, reagerer de forskelligt, når der påføres elektrisk spænding på materialet, hvilket får de to spin-tilstande til at akkumulere på modsatte sider. Denne ophobning kan detekteres ved at drage fordel af den magneto-optiske Kerr-effekt, hvor polariseringen eller orienteringen af ​​lyset ændres, når det reflekteres fra overfladen af ​​en magnet. I tilfælde af HOTI'er beregnede forskerne polarisationsændringen fra hver spin-tilstand, og de fandt ud af, at den var præcis halvdelen af ​​den ændring, der ville være resultatet af en almindelig isolator.

"I Kiss-analogien kan vi forvente, at fordi folien er blevet krøllet, er chokoladen i direkte kontakt med luften," sagde Gregory Fiete, fysikprofessor ved Northeastern University og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Med den spin-afhængige overfladeadfærd, vi fandt, kan vi sige, at der faktisk er et gennemsigtigt lag, der holder chokoladen adskilt fra resten af ​​supermarkedet."

Ved at bygge på beregninger med de første principper med det specialiserede teoretiske værktøjssæt, som forskerne udviklede til denne undersøgelse, identificerede de metallet bismuthbromid som en meget stærk kandidat til at observere denne effekt. De arbejder i øjeblikket sammen med U. of I. fysikprofessor Fahad Mahmood og U. of I. materialevidenskab og ingeniørprofessor Daniel Shoemaker for at designe og udføre de eksperimenter, der er foreslået i denne undersøgelse.

"Egenskaberne af HOTI'er, som vi identificerede her, ville være meget nyttige i kvantecomputere og spintroniske enheder, men vi er nødt til at se dem i eksperimentet først," sagde Bradlyn. Wieder tilføjede:"Vi håber, at vores arbejde viser, at indersiden og overfladerne af topologiske materialer stadig er vært for mange mystiske og fordelagtige funktioner, hvis du ved, hvordan du leder efter dem."

De første principberegninger på bismuthbromid blev udført af Zhaopeng Guo og Zhijun Wang fra det kinesiske videnskabsakademi. Yderligere beregningsstøtte blev leveret af Jeremey Blackburn fra Binghamton University. Giandomenico Palumbo fra Dublin Institute for Advanced Studies og Yoonseok Hwang fra U. of I. bidrog også til dette arbejde.

Flere oplysninger: Kuan-Sen Lin et al., Spin-opløst topologi og partielle aksionsvinkler i tredimensionelle isolatorer, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44762-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Illinois Grainger College of Engineering