Ny form for kvantestof:Naturlig 3D-pendant til grafen opdaget

Opdagelsen af, hvad der i bund og grund er en 3D-version af grafen – 2D-pladerne af kulstof, som elektroner løber igennem med mange gange den hastighed, hvormed de bevæger sig gennem silicium - lover spændende nye ting på vej for den højteknologiske industri, herunder meget hurtigere transistorer og langt mere kompakte harddiske. Et samarbejde mellem forskere ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har opdaget, at natriumbismutat kan eksistere som en form for kvantestof kaldet et tredimensionelt topologisk Dirac-semi-metal (3DTDS). Dette er den første eksperimentelle bekræftelse af 3D Dirac fermioner i det indre eller hovedparten af ​​et materiale, en ny tilstand, der først for nylig blev foreslået af teoretikere.

"En 3DTDS er en naturlig tredimensionel pendant til grafen med lignende eller endnu bedre mobilitets- og hastighedselektroner, " siger Yulin Chen, en fysiker med Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), da han indledte undersøgelsen, der førte til denne opdagelse, og nu med University of Oxford. "På grund af dens 3D Dirac fermioner i bulk, en 3DTDS har også spændende ikke-mættende lineær magnetoresistens, der kan være størrelsesordener højere end de GMR-materialer, der nu bruges i harddiske, og det åbner døren til mere effektive optiske sensorer."

Chen er den tilsvarende forfatter til et papir i Videnskab rapporterer om opdagelsen. Artiklen har titlen "Opdagelse af et tredimensionelt topologisk Dirac Semimetal, Na ₃ Bi." Medforfattere var Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung-Kwan Mo, Zhi-Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai og Zahid Hussain.

To af de mest spændende nye materialer i højteknologiens verden i dag er grafen og topologiske isolatorer, krystallinske materialer, der er elektrisk isolerende i hovedparten, men ledende på overfladen. Begge har 2D Dirac fermioner (fermioner, der ikke er deres egen antipartikel), som giver anledning til ekstraordinære og meget eftertragtede fysiske egenskaber. Topologiske isolatorer har også en unik elektronisk struktur, hvor bulkelektroner opfører sig som dem i en isolator, mens overfladeelektroner opfører sig som dem i grafen.

"Den hurtige udvikling af grafen og topologiske isolatorer har rejst spørgsmål om, hvorvidt der er 3D-modstykker og andre materialer med usædvanlig topologi i deres elektroniske struktur, " siger Chen. "Vores opdagelse besvarer begge spørgsmål. I natriumbismutatet vi studerede, bulklednings- og valensbåndene berører kun på diskrete punkter og spredes lineært langs alle tre momentumretninger for at danne bulk 3D Dirac-fermioner. Desuden, topologien af ​​en 3DTSD elektronisk struktur er også lige så unik som topologiske isolatorers."

Opdagelsen blev gjort ved Advanced Light Source (ALS), en national DOE-brugerfacilitet i Berkeley Lab, ved hjælp af beamline 10.0.1, som er optimeret til elektronstrukturstudier. Det samarbejdende forskerhold udviklede først en speciel procedure til korrekt syntetisering og transport af natriumbismutatet, en semi-metalforbindelse identificeret som en stærk 3DTDS-kandidat af medforfatterne Fang og Dai, teoretikere med det kinesiske videnskabsakademi.

Ved ALS-strålelinje 10.0.1, samarbejdspartnerne bestemte den elektroniske struktur af deres materiale ved hjælp af Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES), hvor røntgenstråler, der rammer en materialeoverflade eller grænseflade, forårsager fotoemission af elektroner i vinkler og kinetiske energier, der kan måles for at opnå et detaljeret elektronisk spektrum.

"ALS beamline 10.0.1 er perfekt til at udforske nye materialer, da den har en unik egenskab, hvorved analysatoren flyttes i stedet for prøven til ARPES-målingsscanningerne, " siger Chen. "Dette gjorde vores arbejde meget lettere, da den kløvede prøveoverflade af vores materiale nogle gange har flere facetter, hvilket gør de roterende prøve-måleskemaer, der typisk anvendes til ARPES-målinger, vanskelige at udføre."

Natriumbismutat er for ustabilt til at blive brugt i enheder uden ordentlig emballage, men det udløser udforskningen af ​​udviklingen af ​​andre 3DTDS-materialer, der er mere velegnede til hverdagsudstyr, en eftersøgning, der allerede er i gang. Natriumbismutat kan også bruges til at demonstrere potentielle anvendelser af 3DTDS-systemer, som tilbyder nogle klare fordele i forhold til grafen.

"Et 3DTDS-system kunne give en betydelig forbedring af effektiviteten i mange applikationer i forhold til grafen på grund af dets 3D-volumen, " siger Chen. "Også, Det er stadig en udfordring at fremstille atomisk tynde enkelt-domæne-grafenfilm i stor størrelse. Det kunne være lettere at fremstille enheder af grafentypen til en bredere vifte af applikationer fra 3DTDS-systemer."

Ud over, Chen siger, et 3DTDS-system åbner også døren til andre nye fysiske egenskaber, såsom gigantisk diamagnetisme, der divergerer, når energi nærmer sig 3D Dirac-punktet, kvantemagnetoresistens i bulk, unikke Landau niveau strukturer under stærke magnetiske felter, og oscillerende kvantespin Hall-effekter. Alle disse nye egenskaber kan være en velsignelse for fremtidige elektroniske teknologier. Fremtidige 3DTDS-systemer kan også tjene som en ideel platform til applikationer inden for spintronics.