Topologi af højere orden fundet i 2-D krystal

I løbet af det sidste årti, feltet for kondenseret stofs fysik har oplevet en guldalder med opdagelsen af ​​nye materialer og egenskaber, og beslægtede teknologier, der udvikles med voldsom hast takket være ankomsten af ​​topologisk fysik. Topologisk fysik tog fart i 2008 med opdagelsen af ​​topologisk isolator, en type materiale, der er elektrisk isolerende i bulk, men metallisk på overfladen.

Siden da, videnskabsmænd har fundet mere eksotiske topologiske faser, herunder Dirac-halvmetaller, Weyl -halvmetaller og aksioniske isolatorer. Men senest, materialer, der er isolerende i bulk på overflader og kanter, men som kun er metalliske på hængslerne eller i hjørnerne, er teoretisk forudsagt. Disse bizarre nye materialer kaldet topologiske isolatorer af højere orden er ekstremt sjældne, og kun grundstoffet bismuth er eksperimentelt bevist at muligvis tilhøre denne kategori indtil videre.

Hvad er en hængseltilstand overhovedet? Forestil dig en kasse - længere og bredere end høj - med klapper foroven og forneden, som du kan åbne for at sætte ting indeni. Pladsen inde i kassen vil blive kaldt bulk. De fleste materialer, der leder elektricitet, gør det i hovedparten. Imidlertid, i topologiske isolatorer, Størstedelen af ​​kassen er elektrisk isolerende, men toppen og bunden - klapperne - er metalliske og bevarer overfladens tilstand. For nogle materialer, hovedparten, toppen og bunden af ​​boksen er isolerende, men siderne (kanterne) er metalliske. Disse har kanttilstande, som er blevet påvist i magnetiske topologiske isolatorer. Endelig, i topologiske isolatorer af højere orden, hovedparten, top, bunden og siderne af kassen er alle isolerende, men hængslerne og hjørnerne af kassen er metalliske og har forskellige hængsel- eller hjørnetilstande. Disse hængselstilstande er også blevet forudsagt at eksistere i topologiske halvmetaller som bismuth. Især hængseltilstandene forventes at være lovende for studiet af spintronik, fordi retningen af ​​deres udbredelse er knyttet til deres spin såvel som for Majorana-fermioner, som aktivt undersøges for deres anvendelser til fejltolerant kvanteberegning.

Nu er et internationalt hold af forskere fra USA, Hong Kong, Tyskland, og Sydkorea har identificeret en ny topologisk isolator af højere orden. Det er et lagdelt todimensionalt overgangsmetaldichalcogenid (TMDC) kaldet WTe2. Dette er et berømt materiale inden for kondenseret stofs fysik, der viser en række eksotiske egenskaber fra titanisk magnetoresistens til kvantiseret spin hall-effekt. Det var det første eksempel på en Type-II Weyl-semimetal, der kan laves om til enheder, der kun er et lag i tykkelse og kan eksfolieres som grafen. WTe ₂ har også vist at superleder under tryk, hvilket betyder, at elektroner danner par, og en superstrøm bevæger sig igennem det uden modstand.

Tilføjelse til dette karneval af ejendomme, teoretiske fysikere i 2019 forestillede sig WTe ₂ og dets søstermateriale MoTe ₂ at være topologiske isolatorer med højere hængseltilstande. Mange forskerhold rundt om i verden har siden søgt efter beviser for disse eksotiske tilstande i WTe ₂ og MoTe ₂ og nogle nylige resultater har vist, at der er ekstra ledende tilstande ved deres kanter. Men forskerne var ude af stand til at identificere, om det virkelig var kantstater eller de meget efterspurgte hængselstater.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturmaterialer den 6. juli, 2020, holdet ledet af Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Max Plank Institute of Microstructure Physics og også Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Hong Kong University of Science and Technology) og Gil-Ho Lee (Pohang University of Science and Technology, og Asia Pacific Center for Theoretical Physics) tog en ny tilgang ved at bruge Josephson-krydset til rumligt at løse superstrømstrømmen og vise, at WTe ₂ ser faktisk ud til at have hængseltilstande og være en topologisk isolator af højere orden (Link til papir).

Josephson junctions er en utrolig vigtig enhed og et værktøj i fysik. De bruges i en række teknologiske applikationer, herunder magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) maskiner såvel som i qubits, som er byggesten i kvantecomputere. Disse kryds dannes, når to superledende elektroder som niob (Nb) er forbundet med en ikke-superledende bro som en WTe af høj kvalitet ₂ i en tyndfilmsanordning. Når temperaturen er sænket nok, superstrømmen, der injiceres fra den ene Nb -elektrode, kan bevæge sig over broen uden modstand mod den anden Nb -elektrode. Derfor viser den samlede enhed nul modstand og siges at være superledende.

Imidlertid, ingen uendelig mængde superstrøm kan sendes over broen, samtidig med at superledningen bevares. When the injected current exceeds a critical current, the junction turns into a normal state and exhibits finite resistance. The Josephson effect states that as a function of the applied magnetic field, the critical current will oscillate in a Fraunhofer pattern between high and low values due to the changing phase of the superconducting wave-function across the sample.

The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe ₂ device. Imidlertid, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.

As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe ₂ prøve. For eksempel, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In this configuration, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.

"But that's not all. WTe ₂ is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe ₂ aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.

"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe ₂ , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."

Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe ₂ may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe ₂ is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe ₂ is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."