Nye topologiske materialer kan have flere elektriske egenskaber

Dette er historien om et unikt materiale - lavet af en enkelt forbindelse, den leder elektroner på forskellige måder på dens forskellige overflader og leder slet ikke i midten. Det er også historien om tre forskningsgrupper - to ved Weizmann Institute of Science og en i Tyskland, og det unikke bånd, der er dannet mellem dem.

Materialet tilhører en gruppe materialer kendt som topologiske isolatorer, opdaget for halvandet årti siden. Disse materialer er ledende på deres overflader og isolerer i deres indre bulk. Men de to egenskaber er uadskillelige:Skær materialet, og den nye overflade vil lede, hovedparten forbliver isolerende.

For cirka fem år siden, Dr. Nurit Avraham startede som stabsforsker i den nye gruppe af Dr. Haim Beidenkopf fra Instituttets Fysiske afdeling for kondenseret stof. Omkring den tid, hun og Beidenkopf mødte prof. Binghai Yan, da han havde sit første videnskabelige besøg på Weizmann Instituttet. Dengang, Yan arbejdede som juniorgruppeleder i gruppen af ​​prof. Claudia Felser, en materialeforsker, der udviklede nye slags topologiske materialer i sit laboratorium på Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Dresden. Beidenkopf og hans gruppe har specialiseret sig i at klassificere og måle disse materialer på skalaen af ​​enkelte atomer og stierne for enkelte elektroner, mens Yan vendte sig mod teori - forudsige hvordan disse materialer skulle opføre sig og udarbejde de matematiske modeller, der forklarer deres usædvanlige adfærd.

Avraham og Beidenkopf var interesserede i at afdække egenskaberne af en speciel type topologisk isolator, hvor den kemiske struktur er organiseret i lag. Hvordan ville lagene påvirke den måde, elektroner blev ført hen over materialets overflade? Teoretisk set, stabling af lag af 2-D topologisk isolator forventedes at danne en 3-D topologisk isolator, hvor nogle af overfladerne er ledende og nogle er isolering. Yan foreslog, at de skulle arbejde med et nyt materiale forudsagt af ham og senere udviklet i Felsers laboratorium. Snart, Weizmann- og Max Planck-grupperne begyndte at samarbejde.

Avraham ledede projektet, indhentning af prøver af materialet fra Felsers laboratorium, foretager målingerne, og arbejde sammen med Yan for at se, om de teoretiske forudsigelser ville blive bekræftet eksperimentelt. Efterhånden som samarbejdet blev uddybet, Beidenkopf og Avraham fik Det Fysiske Fakultet til at invitere Yan igen til instituttet, og dette besøg førte til sidst til, at Yan forlod Tyskland og flyttede sin familie til Rehovot for at tage stilling i Instituttets Fysiske afdeling for kondenseret stof. "Denne beslutning var et vendepunkt, der ville sætte mig på min nuværende karrierevej, " siger Yan.

I løbet af de kommende år, Beidenkopf, Abraham, Yan og Felser ville samarbejde om flere forskningsprojekter, udforske egenskaberne af flere klasser af topologiske materialer. Men at forstå dette særlige materiale - en forbindelse af vismut, tellur og jod — ville vise sig at være et langsigtet projekt. Til at starte med, Yan analyserede materialets båndstruktur - med andre ord, de stater, elektroner "tillades" at bebo. Når båndene bliver krydset i bulk i en tilstand kaldet båndinversion, de forhindrer elektroner i at bevæge sig rundt indeni, men gør dem i stand til at bevæge sig på overfladen. Denne "projektion" af en tilstand, der opstår i hovedparten af ​​et materiale, på overfladen er det, der giver topologiske materialer deres særlige egenskaber.

Avraham og Beidenkopf arbejdede med prøver, der var blevet spaltet, eksponerer friske overflader ud af den lagdelte struktur. De brugte et scanning tunneling mikroskop (STM) i deres laboratorium til at spore elektrontætheden i de forskellige dele af materialet. Teorien forudsagde, at overflademålingerne ville afsløre et materiale, der opfører sig som en svag topologisk isolator, er således metallisk på kanterne og isolerende på top- og bundflader. Svage topologiske isolatorer er en klasse af topologiske materialer, der tidligere var blevet forudsagt, men endnu ikke bevist eksperimentelt, så gruppen håbede på at afdække sådanne karakteristiske egenskaber på kanternes overflader. Det gjorde forskerne, Ja, finde ud af, at materialet virkede som en svag topologisk isolator på dets spaltede sider. Men på toppen og bunden af ​​deres prøver, gruppen fandt beviser, der indikerer en stærk topologisk isolator, snarere end den isolator, der var blevet forudsagt.

Kunne dette ene materiale ikke kun på samme tid være isolerende og ledende, men opføre sig på to forskellige måder? Mens forskerne fortsatte med at eksperimentere, at teste materialet med forskellige metoder og bekræfte deres oprindelige resultater, de fortsatte med at pusle med Yan over de mærkelige resultater. På et tidspunkt, siger Avraham, de målte endda et nyt parti prøver, der blev dyrket uafhængigt af Junior Prof. Anna Isaeva og Dr. Alexander Zeugner ved Technische Universitaet Dresden, bare for at være sikker på, at resultaterne var generelle og ikke en tilfældig egenskab ved en bestemt gruppe prøver.

En del af deres endelige gennembrud, siger Yan, kom fra et teoretisk forskningspapir udgivet af en anden fysikgruppe, der formodede, hvordan sådan et dobbeltmateriale kunne fungere. Topologiske materialer klassificeres nogle gange efter deres symmetri - en egenskab ved materialets atomare struktur. Forskerne ledte efter steder på overfladerne, hvor enhver sådan symmetri ville blive brudt på grund af fejl eller uregelmæssigheder på overfladen, hvilken, ved at sprede elektroner, ville påvirke egenskaberne på det sted og fremhæve den type symmetri, der beskytter hver topologisk tilstand.

Endelig, teori og eksperiment kom sammen for at vise, i en artikel offentliggjort i Naturmaterialer , at materialet er, Ja, to forskellige slags topologiske isolatorer i én. De udsatte lag af de kløftede sideflader skaber "trinkanter", der kanaliserer elektronerne ind i bestemte veje. Mens siderne er beskyttet af både tidsvending og translationssymmetri, toppen og bunden er beskyttet af krystallinsk spejlsymmetri, giver anledning til en metallignende tilstand, hvor elektronerne kan bevæge sig.

Mens denne to-i-en kombination gjorde det udfordrende at klassificere materialet topologisk - et af hovedmålene med sådanne målinger - mener forskerne, at andre nye topologiske materialer kunne vise sig at have sådanne dobbelte egenskaber. Det åbner mulighed for, at ingeniørmaterialer har flere ønskede elektriske egenskaber i én.

"Teknisk set, arbejdet var udfordrende, men historien, sig selv, viste sig at være enkel, " siger Yan.

"Det er også historien om et fantastisk venskab, og hvad der sker, når man kan have et så tæt videnskabeligt samarbejde, " siger Avraham.

"Og det hele startede med et spørgsmål om en bestemt slags materiale, " tilføjer Beidenkopf.