Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology verifiëren experimenteel het bestaan ​​van exotische oppervlaktegeleidingstoestanden in topologische semimetalen (TSM's), materialen die op de grens tussen geleiders en isolatoren liggen, door spanningsscans van deze oppervlaktetoestanden uit te voeren op een dunnefilmmonster van een TSM. De bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor toekomstige studie en exploitatie van dergelijke geleidingstoestanden bij het realiseren van nieuwe, kwantumtransportverschijnselen.

We kennen waarschijnlijk allemaal het idee van geleiders en isolatoren. Maar hoe noem je een materiaal dat aan het oppervlak kan geleiden, maar aan de binnenkant isoleert? Natuurkundigen noemen het een 'topologische isolator' (TI), een term die het geometrische aspect van zijn vreemde geleidingsgedrag benadrukt. Nog vreemder dan TI's zijn "topologische halfmetalen" (TSM's) - bizarre materialen die de grens tussen metalen (geleiders) en isolatoren overschrijden.

Hoewel TI's praktische toepassingen hebben gevonden dankzij hun ongebruikelijke eigenschappen, met name in geavanceerde opto-elektronische apparaten, TSM's zijn nog steeds grotendeels een curiositeit onder materiaalwetenschappers. "In TI's, de toestanden van de oppervlaktegeleiding kunnen worden geïsoleerd van de isolatietoestanden van de bulk, terwijl in typische TSM's, zoals Dirac en Weyl halfmetalen, de bulk- en oppervlaktetoestanden raken elkaar op punten die 'Weyl-knooppunten' worden genoemd, ' wat leidt tot een wisselwerking tussen hen, " legt universitair hoofddocent Masaki Uchida van het Tokyo Institute of Technology uit, Japan, wiens onderzoek is gericht op topologische materialen.

Volgens theoretische voorspellingen een interessant gevolg van een dergelijk samenspel is de vorming van een gekoppeld paar elektronische "Weyl-banen" onder een magnetisch veld op tegenoverliggende oppervlakken van een TSM, wat kan leiden tot een nieuw 2D-kwantumtransport. Echter, de experimentele verificatie van Weyl-banen heeft, tot dusver, bleef een uitdaging vanwege het schijnbaar ontbreken van een unieke handtekening. Nutsvoorzieningen, een nieuwe studie door een team van wetenschappers uit Japan, geleid door Dr. Uchida, zou dat allemaal kunnen veranderen.

Gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de studie richt zich op de unieke ruimtelijke verdeling van de Weyl-banen. specifiek, wetenschappers hebben de toestanden van de Weylbaan "Quantum Hall" (QH) in kaart gebracht onder invloed van elektrische spanningen toegepast op het boven- en onderoppervlak van een TSM-monster bestaande uit een 75 nm dikke film van (Cd _1-x Zn _x ) ₃ Als ₂ . "De belangrijkste observatie om de Weyl-baan te onderscheiden van een TI-achtige baan is de reactie van het oppervlaktetransport op elektrische velden die worden toegepast in een configuratie met twee poorten, " zegt dr. Uchida.

Wetenschappers begonnen met het bestuderen van de magnetische veldafhankelijkheid van filmweerstand bij nulpoortspanningen bij een temperatuur van 3K (270 ° C) en zorgden ervoor dat de film dik genoeg was om de Weyl-banen te laten vormen. aanvankelijk, bulktransport domineerde de geleiding door een hoge elektronendichtheid. Echter, terwijl wetenschappers de elektronen uitputten door poortspanningen toe te passen, oppervlaktetransport en de evolutie ervan naar QH-toestanden werden prominenter.

Volgende, de wetenschappers bestudeerden de invloed van poortspanningsscans op deze QH-toestanden in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld en observeerden een eigenaardig gestreept patroon in de in kaart gebrachte toestanden als gevolg van een modulatie in hun elektronendichtheid, suggereert de aanwezigheid van een gekoppeld Weyl-baanpaar!

Het onderzoeksteam is enthousiast over deze bevinding. Een opgewonden Dr. Uchida concludeert:"Ons werk dat de rol van unieke distributie van Weyl-banen in kwantumtransport onthult, kan deuren openen naar het vinden van verschillende exotische oppervlaktetransportfenomenen in TSM's en deze te beheersen via externe velden en interface-engineering."

De jacht op deze nieuwe kwantumfenomenen is geopend, met nieuwe en opwindende ontdekkingen om de hoek.