Onderzoekers van Princeton, Yale, en de Universiteit van Zürich hebben een op theorie gebaseerde benadering voorgesteld om een ​​klasse metalen te karakteriseren die exotische elektronische eigenschappen bezit die wetenschappers zouden kunnen helpen bij het vinden van andere, gelijkaardige materialen.

Gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X , de studie beschreef een nieuwe klasse metalen op basis van hun symmetrie en een wiskundige classificatie die bekend staat als een topologisch getal, die voorspellend is voor speciale elektronische eigenschappen. Topologische materialen hebben sinds het begin van de jaren 2000 intense onderzoeksinteresse getrokken, met als hoogtepunt vorig jaar de Nobelprijs voor de natuurkunde die werd toegekend aan drie natuurkundigen, waaronder Princeton-professor F. Duncan Haldane, voor hun theoretische ontdekkingen op dit gebied.

"Topologische classificatie is een zeer algemene manier om naar de eigenschappen van materialen te kijken, " zei Lukas Muechler, een afgestudeerde student van Princeton in het laboratorium van professor Roberto Car en hoofdauteur van het artikel.

Een populaire manier om deze abstracte wiskundige classificatie uit te leggen, betreft ontbijtproducten. In topologische classificatie, donuts en koffiekopjes zijn gelijkwaardig omdat ze allebei één gat hebben en soepel in elkaar vervormd kunnen worden. Ondertussen kunnen donuts niet vervormen tot muffins, waardoor ze ongelijkwaardig zijn. Het aantal gaten is een voorbeeld van een topologische invariant die gelijk is voor de donut en het koffiekopje, maar maakt onderscheid tussen de donut en de muffin.

"Het idee is dat je niet echt om de details geeft. Zolang twee materialen dezelfde topologische invarianten hebben, we kunnen zeggen dat ze topologisch equivalent zijn, " hij zei.

De interesse van Muechler en zijn collega's in de topologische classificatie van deze nieuwe klasse metalen werd aangewakkerd door een merkwaardige ontdekking in het naburige laboratorium van Princeton-professor Robert Cava. Tijdens het zoeken naar supergeleiding in een kristal genaamd WTe2, het Cava-lab ontdekte in plaats daarvan dat het materiaal zijn weerstand voortdurend kon verhogen als reactie op steeds sterkere magnetische velden - een eigenschap die zou kunnen worden gebruikt om een ​​sensor van magnetische velden te bouwen.

De oorsprong van dit pand was, echter, mysterieus. "Dit materiaal heeft zeer interessante eigenschappen, maar er was geen theorie omheen, ' zei Müchler.

De onderzoekers keken eerst naar de rangschikking van de atomen in het WTe2-kristal. Patronen in de rangschikking van atomen staan ​​​​bekend als symmetrieën, en ze vallen in twee fundamenteel verschillende klassen - symmorf en niet-symmorf - die leiden tot diepgaande verschillen in elektronische eigenschappen, zoals het transport van stroom in een elektromagnetisch veld.

Terwijl WTe2 is samengesteld uit vele lagen atomen die op elkaar zijn gestapeld, Het team van Car ontdekte dat een enkele laag atomen een bepaalde niet-symmetrische symmetrie heeft, waarbij de atomaire rangschikking in het algemeen onveranderd is als deze eerst wordt geroteerd en vervolgens wordt vertaald door een fractie van de roosterperiode (zie afbeelding).

Nadat de symmetrie is vastgesteld, de onderzoekers hebben alle mogelijke elektronische toestanden met deze symmetrie wiskundig gekarakteriseerd, en classificeerde die toestanden die soepel in elkaar kunnen worden vervormd als topologisch equivalent, net zoals een donut kan worden vervormd tot een kopje.

Van deze classificatie ze ontdekten dat WTe2 tot een nieuwe klasse metalen behoort die ze niet-symmorfe topologische metalen hebben bedacht. Deze metalen worden gekenmerkt door een ander elektronengetal dan de niet-symmorfe metalen die eerder zijn onderzocht.

In niet-symmorfe topologische metalen, de stroomvoerende elektronen gedragen zich als relativistische deeltjes, d.w.z. deeltjes die met bijna de lichtsnelheid reizen. Deze eigenschap is niet zo gevoelig voor onzuiverheden en defecten als gewone metalen, waardoor ze aantrekkelijke kandidaten zijn voor elektronische apparaten.

De abstracte topologische classificatie bracht de onderzoekers er ook toe enkele verklaringen te suggereren voor enkele van de uitstekende elektronische eigenschappen van bulk WTe2, vooral de perfecte compensatie, wat betekent dat het een gelijk aantal gaten en elektronen heeft. Door theoretische simulaties, de onderzoekers ontdekten dat deze eigenschap kon worden bereikt in de driedimensionale kristallijne stapeling van de WTe2-monolagen, wat een verrassend resultaat was, zei Müchler.

"Meestal is er in theorie-onderzoek niet veel dat onverwacht is, maar dit kwam er net uit " zei hij. "Deze abstracte classificatie leidde ons direct tot het verklaren van deze eigenschap. In deze betekenis, het is een zeer elegante manier om naar deze verbinding te kijken en nu kun je nieuwe verbindingen met vergelijkbare eigenschappen echt begrijpen of ontwerpen."

Recente foto-emissie-experimenten hebben ook aangetoond dat de elektronen in WTe2 rechtshandige fotonen anders absorberen dan linkshandige fotonen. De door de onderzoekers geformuleerde theorie toonde aan dat deze foto-emissie-experimenten op WTe2 begrepen kunnen worden op basis van de topologische eigenschappen van deze nieuwe klasse metalen.

In toekomstige studies, de theoretici willen testen of deze topologische eigenschappen ook aanwezig zijn in atomair dunne lagen van deze metalen, die zou kunnen worden geëxfolieerd van een groter kristal om elektronische apparaten te maken. "De studie van dit fenomeen heeft grote implicaties voor de elektronica-industrie, maar het is nog in de kinderjaren, ' zei Müchler.