Blokering af uendelighed i en topologisk isolator

(Phys.org)—I bulk, topologiske isolatorer (TI'er) er gode isolatorer, men på deres overflade fungerer de som metaller, med et twist:spin og retning af elektroner, der bevæger sig hen over overfladen af ​​en TI, er låst sammen. TI'er tilbyder unikke muligheder for at kontrollere elektriske strømme og magnetisme, og ny forskning udført af et hold videnskabsmænd fra Kina og USA, arbejder med Berkeley Labs Alexei Fedorov ved beamline 12.0 ved Advanced Light Source, peger på måder at manipulere deres overfladetilstande på.

grafen, et enkelt lag af kulstofatomer, deler en spændende ejendom med TI'er. I begge, deres båndstrukturer - de energier, hvormed elektroner flyder frit i et ledningsbånd eller er bundet til atomer i et valensbånd - er helt ulig de overlappende bånd af metaller, de vidt adskilte bånd af isolatorer, eller en halvleders smalle energigab mellem båndene. I grafen og TI'er, lednings- og valensbånd danner kegler, der mødes i et punkt, Dirac-punktet.

Her slutter deres lighed. Grafens perfekte kegler giver kun et skitseret billede af den virkelige båndstruktur:en afvigelse fra helt lige linjer viser sig, når alle mulige vekselvirkninger af elektroner på deres vej hen over kulstof-atom-gitteret er inkluderet - en proces kaldet "renormalisering." Renormalisering af de elektroniske tilstande nær Dirac-punktet (med andre ord, at tegne spidserne af keglerne) kræver forståelse af den kollektive adfærd af adskillige elektroner og positivt ladede huller (fravær af elektroner, også kendt som kvasipartikler).

Renormalisering er blevet observeret i grafen, men ikke i TI'er - indtil nu, og at gøre det tog et trick. Forskerne undersøgte forskellige TI-forbindelser ved hjælp af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) ved strålelinje 12.0, som har den unikke evne til at afbilde elektroniske båndstrukturer direkte. De tog spektre af to lovende topologiske isolatorer, vismuttellurid og bismuthselenid.

TI'er har to sæt båndstrukturer, afspejler forskellen mellem deres bulk- og overfladeegenskaber, og da ARPES afbildede prøveforbindelserne "nøgne, " bulkbåndene tilslørede overfladekeglerne og Dirac-spidserne. Men efter lagdeling af film af ren vismut, som også er en TI, på forbindelserne, de irriterende bulkbånd forsvandt.

I et lag sammensætning, bismuth på bismuth tellurid, ARPES afslørede dramatisk Dirac-punktet - faktisk to af dem. To sæt konvergerende linjer dukkede op, den ene mødes ved toppen af ​​bismuthtellurids overfladevalensbånd og den anden ved en højere energi. En lys lodret linje forbandt spidserne af de to kegler.

Hvis keglerne virkelig var adskilt, de ladede partikler mellem dem ville have uendelig hastighed. Men efter analyse, forskerne fastslog, at ARPES-spektret var en hybrid, og at den afslørende lodrette linje stammer fra mange-kropsinteraktioner, der var tegnet på den uendelighedsblokerende renormalisering, de søgte.

Det, der gør mange-kropsinteraktioner svære at opdage i TI'er, er, at i modsætning til grafen, deres overfladebåndstrukturer er spinpolariserede, eller "spiralformet". Ved at hybridisere to særligt godt matchede TI'er og skæve deres Dirac-kegler, den skjulte renormalisering er fundet – i mindst én TI-struktur.