Over de afgelopen tien jaar, het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie heeft een gouden eeuw beleefd met de ontdekking van nieuwe materialen en eigenschappen, en aanverwante technologieën worden in een razend tempo ontwikkeld dankzij de komst van de topologische fysica. Topologische fysica begon in 2008 met de ontdekking van topologische isolator, een soort materiaal dat elektrisch isolerend is in bulk, maar metaalachtig op het oppervlak.

Vanaf dat moment, wetenschappers hebben meer exotische topologische fasen gevonden, waaronder Dirac-halfmetalen, Weyl-halfmetalen en Axionische isolatoren. Maar het meest recent, materialen die in bulk isoleren op oppervlakken en randen, maar alleen metaalachtig zijn op de scharnieren of op de hoeken, zijn theoretisch voorspeld. Deze bizarre nieuwe materialen die topologische isolatoren van hogere orde worden genoemd, zijn uiterst zeldzaam en tot nu toe is experimenteel bewezen dat alleen het element bismut mogelijk tot deze categorie behoort.

Wat is eigenlijk een scharnierstaat? Stel je een doos voor - langer en breder dan hoog - met flappen aan de boven- en onderkant die je kunt openen om dingen in te doen. De ruimte in de doos zou de bulk worden genoemd. De meeste materialen die elektriciteit geleiden, doen dat in de bulk. Echter, in topologische isolatoren, het grootste deel van de doos is elektrisch isolerend, maar de boven- en onderkant - de flappen - zijn van metaal en behouden de oppervlaktetoestand. Voor sommige materialen is het grootste deel, de boven- en onderkant van de doos zijn isolerend, maar de zijkanten (randen) zijn van metaal. Deze hebben randtoestanden die zijn aangetoond in magnetische topologische isolatoren. Eindelijk, in topologische isolatoren van hogere orde, het grootste deel, bovenkant, bodem en zijkanten van de doos zijn allemaal isolerend, maar de scharnieren en hoeken van de doos zijn van metaal en hebben verschillende scharnier- of hoekstanden. Deze scharniertoestanden zijn ook voorspeld in topologische halfmetalen zoals bismut. Met name de scharniertoestanden zullen naar verwachting veelbelovend zijn voor de studie van spintronica omdat de richting van hun voortplanting gekoppeld is aan hun spin, evenals voor Majorana-fermionen die actief worden onderzocht voor hun toepassingen in fouttolerante kwantumcomputers.

Nu een internationaal team van wetenschappers uit de Verenigde Staten, Hongkong, Duitsland, en Zuid-Korea hebben een nieuwe topologische isolator van hogere orde geïdentificeerd. Het is een gelaagd tweedimensionaal overgangsmetaal dichalcogenide (TMDC) genaamd WTe2. Dit is een beroemd materiaal in de fysica van de gecondenseerde materie dat een verscheidenheid aan exotische eigenschappen vertoont, van titanische magnetoweerstand tot gekwantiseerd spin-hall-effect. Het was het eerste voorbeeld van een Type-II Weyl-halfmetaal dat kan worden gemaakt in apparaten die slechts één laag dik zijn en die exfoliërbaar is zoals grafeen. WTe ₂ heeft ook aangetoond dat het onder druk supergeleidend is, wat betekent dat elektronen paren vormen en dat er een superstroom doorheen gaat zonder enige weerstand.

Toevoegen aan dit carnaval van eigenschappen, theoretisch natuurkundigen in 2019 voorzagen WTe ₂ en zijn zustermateriaal MoTe ₂ topologische isolatoren van hogere orde zijn met metalen scharniertoestanden. Veel onderzoeksteams over de hele wereld hebben sindsdien gezocht naar bewijs van deze exotische staten in WTe ₂ en MoTe ₂ en enkele recente resultaten hebben aangetoond dat er aan hun randen extra geleidende toestanden zijn. Maar de onderzoekers konden niet vaststellen of dit echt randtoestanden waren of de zeer gewilde scharniertoestanden.

In een studie gepubliceerd in Natuurmaterialen op 6 juli, 2020, het team onder leiding van Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Max Plank Institute of Microstructure Physics en ook Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Hong Kong University of Science and Technology) en Gil-Ho Lee (Pohang University of Science and Technology, en het Asia Pacific Centre for Theoretical Physics) een nieuwe benadering volgden door de Josephson-knooppunten te gebruiken om de superstroom ruimtelijk op te lossen en aan te tonen dat WTe ₂ lijkt inderdaad scharniertoestanden te hebben en een topologische isolator van hogere orde te zijn (link naar papier).

Josephson-knooppunten zijn een ongelooflijk belangrijk apparaat en hulpmiddel in de natuurkunde. Ze worden gebruikt in een verscheidenheid aan technologische toepassingen, waaronder magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -machines, evenals in qubits, die bouwstenen zijn van kwantumcomputers. Deze juncties worden gevormd wanneer twee supergeleidende elektroden zoals niobium (Nb) zijn verbonden door een niet-supergeleidende brug zoals een hoogwaardige WTe ₂ in een dunne film apparaat. Als de temperatuur voldoende is verlaagd, de superstroom die door de ene Nb-elektrode wordt geïnjecteerd, kan zonder weerstand over de brug naar de andere Nb-elektrode reizen. Daarom vertoont het algehele apparaat geen weerstand en wordt gezegd dat het supergeleidend is.

Echter, er kan geen oneindige hoeveelheid superstroom over de brug worden gestuurd met behoud van supergeleiding. Wanneer de geïnjecteerde stroom een ​​kritische stroom overschrijdt, de kruising verandert in een normale toestand en vertoont eindige weerstand. Het Josephson-effect stelt dat als functie van het aangelegde magnetische veld, the critical current will oscillate in a Fraunhofer pattern between high and low values due to the changing phase of the superconducting wave-function across the sample.

The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe ₂ apparaat. Echter, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.

As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe ₂ steekproef. Bijvoorbeeld, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In this configuration, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.

"But that's not all. WTe ₂ is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe ₂ aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.

"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe ₂ , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."

Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe ₂ may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe ₂ is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe ₂ is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."