Dit is het verhaal van een uniek materiaal - gemaakt van een enkele verbinding, het geleidt elektronen op verschillende manieren op zijn verschillende oppervlakken en geleidt helemaal niet in het midden. Het is ook het verhaal van drie onderzoeksgroepen - twee aan het Weizmann Institute of Science en één in Duitsland, en de unieke band die tussen hen is ontstaan.

Het materiaal behoort tot een groep materialen die bekend staat als topologische isolatoren, anderhalf decennium geleden ontdekt. Deze materialen geleiden op hun oppervlak en isoleren in hun binnenste massa. Maar de twee eigenschappen zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden:Snijd het materiaal, en het nieuwe oppervlak zal geleiden, het grootste deel blijft isolerend.

Zo'n vijf jaar geleden, Dr. Nurit Avraham begon als stafwetenschapper in de nieuwe groep van Dr. Haim Beidenkopf van de afdeling gecondenseerde materie van het Instituut. Rond die tijd, zij en Beidenkopf ontmoetten Prof. Binghai Yan tijdens zijn eerste wetenschappelijke bezoek aan het Weizmann Instituut. Vroeger, Yan werkte als junior groepsleider in de groep van Prof. Claudia Felser, een materiaalwetenschapper die nieuwe soorten topologische materialen ontwikkelde in haar laboratorium aan het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden. Beidenkopf en zijn groep zijn gespecialiseerd in het classificeren en meten van deze materialen op de schaal van enkele atomen en de paden van enkele elektronen, terwijl Yan zich tot de theorie wendde - voorspelde hoe deze materialen zich zouden moeten gedragen en de wiskundige modellen uitwerkte die hun ongewone gedrag verklaren.

Avraham en Beidenkopf waren geïnteresseerd in het blootleggen van de eigenschappen van een speciaal type topologische isolator waarin de chemische structuur in lagen is georganiseerd. Hoe zouden de lagen de manier beïnvloeden waarop elektronen over het oppervlak van het materiaal werden geleid? theoretisch, stapellagen van 2D-topologische isolator werd verwacht om een ​​3D-topologische isolator te vormen waarin sommige van de oppervlakken geleidend zijn en sommige isolerend. Yan stelde voor om te werken met een nieuw materiaal dat door hem was voorspeld en later in het laboratorium van Felser is ontwikkeld. Spoedig, de groepen Weizmann en Max Planck begonnen samen te werken.

Avraham leidde het project, het verkrijgen van monsters van het materiaal uit het laboratorium van Felser, het uitvoeren van de metingen, en werken met Yan om te zien of de theoretische voorspellingen experimenteel bevestigd zouden worden. Naarmate de samenwerking verdiept, Beidenkopf en Avraham kregen de Faculteit der Natuurkunde om Yan opnieuw uit te nodigen op het Instituut, en dit bezoek bracht Yan er uiteindelijk toe Duitsland te verlaten en zijn gezin naar Rehovot te verhuizen om een ​​positie in te nemen op de afdeling fysica van de gecondenseerde materie van het Instituut. "Die beslissing was een keerpunt dat me op mijn huidige carrièrepad zou zetten, "zeg Jan.

De komende jaren, Beidenkopf, Avraham, Yan en Felser zouden samenwerken aan meerdere onderzoeksprojecten, het verkennen van de eigenschappen van verschillende klassen van topologische materialen. Maar het begrijpen van dit specifieke materiaal - een verbinding van bismut, tellurium en jodium - zou een langetermijnproject blijken te zijn. Beginnen met, Yan analyseerde de bandstructuur van het materiaal - met andere woorden, de toestanden waarin elektronen mogen wonen. Wanneer de banden in de bulk worden gekruist in een toestand die bandinversie wordt genoemd, ze voorkomen dat elektronen naar binnen bewegen, maar stel ze in staat om over het oppervlak te bewegen. Deze "projectie" van een toestand die ontstaat in het grootste deel van een materiaal op het oppervlak, geeft topologische materialen hun speciale eigenschappen.

Avraham en Beidenkopf werkten met monsters die waren gekliefd, het blootleggen van nieuwe oppervlakken uit de gelaagde structuur. Ze gebruikten een scanning tunneling microscope (STM) in hun laboratorium om de elektronendichtheid in de verschillende delen van het materiaal te volgen. De theorie voorspelde dat de oppervlaktemetingen een materiaal zouden onthullen dat zich gedraagt ​​als een zwakke topologische isolator, dus metallisch aan de randen en isolerend aan de boven- en onderkant. Zwakke topologische isolatoren zijn een klasse van topologische materialen die eerder waren voorspeld, maar nog niet experimenteel bewezen, dus hoopte de groep dergelijke karakteristieke eigenschappen op de oppervlakken van de randen te ontdekken. De onderzoekers deden, inderdaad, vinden dat het materiaal fungeerde als een zwakke topologische isolator aan de gespleten zijden. Maar op de toppen en bodems van hun monsters, de groep vond aanwijzingen voor een sterke topologische isolator, in plaats van de isolator die was voorspeld.

Zou dit ene materiaal niet alleen isolerend en geleidend kunnen zijn, maar op twee verschillende manieren gedragen? Terwijl de onderzoekers bleven experimenteren, het materiaal met verschillende methoden testen en hun oorspronkelijke resultaten bevestigen, ze bleven met Yan puzzelen over de vreemde resultaten. Op een bepaald moment, zegt Avraham, ze hebben zelfs een nieuwe batch monsters gemeten die onafhankelijk zijn gekweekt door Junior Prof. Anna Isaeva en Dr. Alexander Zeugner aan de Technische Universitaet Dresden, om er zeker van te zijn dat de resultaten algemeen waren en geen toevallige eigenschap van een bepaalde partij monsters.

Een deel van hun uiteindelijke doorbraak, zegt Jan, kwam uit een theoretisch onderzoeksartikel gepubliceerd door een andere natuurkundegroep die vermoedde hoe zo'n duaal materiaal zou kunnen functioneren. Topologische materialen worden soms geclassificeerd op basis van hun symmetrie - een eigenschap van de atomaire structuur van het materiaal. De wetenschappers zochten naar plaatsen op het oppervlak waar een dergelijke symmetrie zou worden verbroken door gebreken of onregelmatigheden op het oppervlak, die, door elektronen te verstrooien, zou de eigenschappen op die plek beïnvloeden en het type symmetrie benadrukken dat elke topologische toestand beschermt.

Eindelijk, theorie en experiment kwamen samen om te laten zien, in een artikel gepubliceerd in Natuurmaterialen , dat het materiaal is, inderdaad, twee verschillende soorten topologische isolator in één. De blootgestelde lagen van de gespleten zijoppervlakken creëren "stapranden" die de elektronen naar bepaalde paden leiden. Terwijl de zijkanten worden beschermd door zowel tijdomkering als translatiesymmetrie, de toppen en bodems worden beschermd door kristallijne spiegelsymmetrie, waardoor een metaalachtige toestand ontstaat waarin de elektronen kunnen bewegen.

Hoewel deze twee-in-één combinatie het een uitdaging maakte om het materiaal topologisch te classificeren - een van de belangrijkste doelen van dergelijke metingen - geloven de onderzoekers dat andere nieuwe topologische materialen zulke dubbele eigenschappen zouden kunnen hebben. Dat opent de mogelijkheid om materialen te engineeren om meerdere gewenste elektrische eigenschappen in één te hebben.

"Technisch gezien, het werk was uitdagend, maar het verhaal zelf, bleek eenvoudig, " zegt Jan.

"Het is ook het verhaal van een geweldige vriendschap en wat er gebeurt als je zo'n nauwe wetenschappelijke samenwerking kunt hebben, "zegt Avraham.

"En het begon allemaal met een vraag over een bepaald soort materiaal, ", voegt Beidenkopf eraan toe.