Usædvanlig halvmetal viser tegn på unikke overfladeledningstilstande

Forskere ved Tokyo Institute of Technology kontrollerer eksperimentelt eksistensen af ​​eksotiske overfladeledningstilstande i topologiske semimetaller (TSM'er), materialer, der ligger på grænsen mellem ledere og isolatorer, ved at udføre spændingsscanninger af disse overfladetilstande på en tyndfilmprøve af en TSM. Resultaterne kan bane vejen for fremtidig undersøgelse og udnyttelse af sådanne ledningstilstande i realiseringen af ​​nye, kvantetransportfænomener.

Alle kender vi sikkert tanken om ledere og isolatorer. Men hvad vil du kalde et materiale, der kan lede på overfladen, men isolerer på indersiden? Fysikere kalder det en 'topologisk isolator' (TI), et udtryk, der fremhæver det geometriske aspekt af dets mærkelige ledningsadfærd. Endnu fremmed end TI'er er "topologiske semimetaller" (TSM'er) - bizarre materialer, der grænser op til grænsen mellem metaller (ledere) og isolatorer.

Mens TI'er har fundet praktiske anvendelser takket være deres usædvanlige egenskaber, især i avancerede optoelektroniske enheder, TSM'er er stadig stort set en nysgerrighed blandt materialeforskere. "I TI'er, overfladeledningstilstandene kan isoleres fra de masseisolerende tilstande, der henviser til, at i typiske TSM'er, såsom Dirac og Weyl semimetaller, bulk- og overfladetilstandene rører ved punkter kaldet 'Weyl -noder, 'hvilket fører til et samspil mellem dem, "forklarer lektor Masaki Uchida fra Tokyo Institute of Technology, Japan, hvis forskning er fokuseret på topologiske materialer.

Ifølge teoretiske forudsigelser, en interessant konsekvens af et sådant samspil er dannelsen af ​​et koblet par elektroniske "Weyl -baner" under et magnetfelt på modsatte overflader af en TSM, der kan føre til en ny 2D -kvantetransport. Imidlertid, den eksperimentelle verifikation af Weyl -baner har, indtil nu, forblev udfordrende på grund af den tilsyneladende mangel på en unik signatur. Nu, en ny undersøgelse af et team af forskere fra Japan, ledet af Dr. Uchida, kan ændre alt det.

Udgivet i Naturkommunikation , undersøgelsen fokuserer på den unikke rumlige fordeling af Weyl -banerne. Specifikt, forskere udførte en kortlægning af Weyl-kredsløb "Quantum Hall" (QH) -tilstande under påvirkning af elektriske spændinger påført på toppen og bunden af ​​en TSM-prøve omfattende en 75 nm tyk film af (Cd _1-x Zn _x ) ₃ Som ₂ . "Nøgleobservationen for at skelne Weyl-kredsløbet fra en TI-lignende bane er overfladetransportens reaktion på elektriske felter, der anvendes i en konfiguration med dobbelt gate, "siger Dr. Uchida.

Forskere begyndte med at studere magnetfeltafhængigheden af ​​filmmodstand ved nul portspændinger ved en temperatur på 3K (270 ° C) og sikrede, at filmen var tyk nok til at lade Weyl -banerne dannes. I første omgang, bulktransport dominerede ledningen på grund af en høj elektrontæthed. Imidlertid, da forskere tømte elektronerne ved at anvende portspændinger, overfladetransport og dens udvikling til QH -stater blev mere fremtrædende.

Næste, forskerne studerede indflydelsen fra gatespændingsscanninger på disse QH -tilstande i nærværelse af et stærkt magnetfelt og observerede et særegent stribet mønster i de kortlagte tilstande på grund af en modulering i deres elektrontæthed, hvilket tyder på tilstedeværelsen af ​​et koblet Weyl -kredsløbspar!

Forskergruppen er begejstret over dette fund. En begejstret Dr. Uchida slutter, "Vores arbejde, der afslører rollen som den unikke distribution af Weyl -baner inden for kvantetransport, kan åbne døre for at finde forskellige eksotiske overfladetransportfænomener i TSM'er og kontrollere dem via eksterne felter og interface engineering."

Jagten på disse nye kvantefænomener er i gang, med nye og spændende opdagelser er lige rundt om hjørnet.