Sondering af individuelle kanttilstande med hidtil uset præcision

En ny teknik gør det muligt at opnå et individuelt fingeraftryk af de strømførende kanttilstande, der forekommer i nye materialer såsom topologiske isolatorer eller 2-D materialer. Fysikere fra University of Basel præsenterer den nye metode sammen med amerikanske videnskabsmænd i Naturkommunikation .

Mens isolatorer ikke leder elektrisk strøm, nogle specielle materialer udviser ejendommelige elektriske egenskaber. Selvom de ikke leder gennem deres bulk, deres overflader og kanter kan understøtte elektriske strømme på grund af kvantemekaniske effekter, og gør det selv uden at forårsage tab. Sådanne topologiske isolatorer har tiltrukket sig stor interesse i de senere år på grund af deres bemærkelsesværdige egenskaber. I særdeleshed, deres robuste kantstater er meget lovende, da de kan føre til store teknologiske fremskridt.

Lignende effekter som kanttilstande af sådanne topologiske isolatorer optræder også, når et todimensionelt metal udsættes for et stærkt magnetfelt ved lave temperaturer. Når den såkaldte kvante-Hall-effekt realiseres, strømmen menes kun at flyde ved kanterne, hvor der dannes flere ledende kanaler.

Undersøgelse af individuelle kanttilstande

Indtil nu, det var ikke muligt at adressere de talrige strømførende tilstande individuelt eller at bestemme deres positioner separat. Den nye teknik gør det nu muligt at opnå et nøjagtigt fingeraftryk af de strømførende kanttilstande med nanometeropløsning. Dette er rapporteret af forskere fra Institut for Fysik og Swiss Nanoscience Institute ved University of Basel i samarbejde med kolleger fra University of California, Los Angeles, samt fra Harvard og Princeton University, USA.

For at måle fingeraftrykket af de ledende kanttilstande, fysikerne ledet af prof. Dominik Zumbühl har videreudviklet en teknik baseret på tunnelspektroskopi. De har brugt en galliumarsenid nanotråd placeret ved prøvekanten, som løber parallelt med de undersøgte kanttilstande. I denne konfiguration, elektroner kan springe (tunnel) frem og tilbage mellem en specifik kanttilstand og nanotråden, så længe energierne i begge systemer falder sammen. Ved at bruge et ekstra magnetfelt, videnskabsmændene kontrollerer momentum af tunnelelektroner og kan adressere individuelle kanttilstande. Fra de målte tunnelstrømme, positionen og udviklingen af ​​hver kanttilstand kan opnås med nanometerpræcision.

Følger udviklingen

Denne nye teknik er meget alsidig og kan også bruges til at studere dynamisk udviklende systemer. Ved at øge magnetfeltet, antallet af kanttilstande reduceres, og deres fordeling ændres. For første gang, forskerne var i stand til at se den fulde kanttilstandsudvikling begyndende fra deres dannelse ved meget lave magnetfelter.

Med stigende magnetfelt, kanttilstandene komprimeres først mod prøvegrænsen indtil til sidst, de bevæger sig mod indersiden af ​​prøven og forsvinder derefter fuldstændigt. Analytiske og numeriske modeller udviklet af forskerholdet stemmer meget godt overens med de eksperimentelle data.

"Denne nye teknik er ikke kun meget nyttig til at studere kvante Hall-kanttilstande, " Dominik Zumbühl kommenterer resultaterne af det internationale samarbejde. "Det kan også bruges til at undersøge nye eksotiske materialer såsom topologiske isolatorer, grafen eller andre 2D-materialer."