In een verrassende nieuwe ontdekking, alfa-tin, gewoonlijk grijs tin genoemd, vertoont een nieuwe elektronische fase wanneer de kristalstructuur wordt gespannen, door het in een zeldzame nieuwe klasse van 3D-materialen te plaatsen die topologische Dirac-halfmetalen (TDS's) worden genoemd. Er zijn slechts twee andere TDS-materialen bekend, pas in 2013 ontdekt. ​​Alpha-tin voegt zich nu bij deze klasse als het enige lid met eenvoudige elementen.

Deze ontdekking is veelbelovend voor nieuwe natuurkunde en vele potentiële toepassingen in technologie. De bevindingen zijn het werk van Caizhi Xu, een afgestudeerde natuurkundestudent aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, werkend onder U. of I. Professor Tai-Chang Chiang en in samenwerking met wetenschappers van de Advanced Light Source van het Lawrence Berkeley National Laboratory en zes andere internationale instellingen.

TDS's vertonen elektronische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van de nu veel bestudeerde topologische isolatoren (TI's) op hun oppervlak. De oppervlakken van TI's laten elektronen vrij geleiden als een metaal, terwijl de "bulk" of het interieur zich als een isolator gedraagt. De oppervlakte-elektronen gedragen zich als 2D massaloze spin-gepolariseerde Dirac-fermionen die robuust zijn tegen niet-magnetische onzuiverheden, wat potentiële toepassingen oplevert in spintronische apparaten en fouttolerante kwantumcomputers.

Daarentegen, de bulkelektronen in TDS's gedragen zich als massaloze Dirac-fermionen in alle drie de dimensies, wat leidt tot extra mogelijkheden voor nieuw fysiek gedrag.

Xu legt uit, "TDS's zijn van groot belang voor fysici van gecondenseerde materie, voornamelijk omdat ze een aantal nieuwe fysische eigenschappen vertonen, inclusief ultrahoge vervoerdermobiliteit, gigantische lineaire magnetoweerstand, chirale anomalie, en nieuwe kwantumoscillaties. Ten tweede, deze klasse materialen kan veel interessante topologische fasen realiseren - onder gecontroleerde omstandigheden, het materiaal kan faseovergangen ondergaan en kan een topologische isolator worden, een Weyl-halfmetaal, of een topologische supergeleider."

Tin heeft twee bekende allotropen:bij 13,2° Celsius en hoger, wit blik, of bèta-tin, is metaalachtig. Beneden die temperatuur, de atomaire structuur van tinovergangen, en het materiaal wordt grijs tin, of alfa-tin, die halfmetaal is. In dunne films gekweekt op een substraat zoals indiumantimonide (InSb), echter, de overgangstemperatuur van tin gaat tot 200°C, wat betekent dat alfa-tin ruim boven kamertemperatuur stabiel blijft.

Normaal gesproken, De diamant-kubische kristalstructuur van alfa-tin vertoont een gewone semi-metaalfase - en het materiaal heeft op dit moment geen algemeen gebruik. In feite, grijs tin kan problematisch zijn in veel toepassingen waarbij tin betrokken is - het zogenaamde "tin pest"-probleem is de vorming van grijs tin dat desintegratie veroorzaakt van delen die wit tin bevatten.

In hun experiment hebben Xu et al. heeft het materiaal onder druk gezet door alfa-tinmonsters in lagen te laten groeien op een substraat van een ander kristallijn materiaal, InSb, die een iets andere roosterconstante heeft.

"Die roostermismatch leidt tot spanning, of compressie, in het alfa-tin, Xu gaat verder met uitleggen. "Men geloofde dat een stam een ​​bandgap in grijs tin zou openen en er een TI van zou maken. In een paar recente studies observeerden onderzoekers topologische oppervlaktetoestanden in gespannen tin, maar ze hebben de door spanning veroorzaakte bandkloof niet waargenomen omdat ze geen toegang hadden tot de geleidingsband. In dit onderzoek, we gebruikten kaliumdoping en konden met deze eenvoudige methode de geleidbaarheidsband bereiken. We waren in staat om de gapless en lineaire banddispersie te zien die het kenmerk is van een Dirac-halfmetaal.

"Deze ontdekking is nogal onverwacht. Ik besloot het materiaal te bestuderen vanwege de bekende TI-fase. Toen ik me eenmaal in de experimentele resultaten verdiepte en wat theoretische berekeningen uitvoerde, wat ik ontdekte is dat alfa-tin onder druk geen isolator is, zoals was gedacht. Het blijkt een Dirac-halfmetaal te zijn. Onze berekeningen laten ook zien dat alfa-tin alleen onder trekspanning een TI wordt."

Chiang gelooft dat deze bevindingen nieuwe wegen voor onderzoek zullen openen:"Caizhi Xu's werk illustreert dat interessante nieuwe fysica nog steeds te vinden is in eenvoudige, veelvoorkomende materialen, zoals grijs tin, die al tientallen jaren bekend en bestudeerd is."

"Het is duidelijk uit deze studie dat strain engineering veel mogelijkheden kan bieden, Chiang gaat verder. Mijn groep onderzoekt momenteel een andere manier om strain toe te passen. door een monster mechanisch uit te rekken. De spanning zal uniaxiaal zijn - in slechts één richting - en hij zal afstembaar zijn, maar beperkt door monsterbreuk."

De mensheid heeft tin gewonnen en gebruikt in legeringen sinds de bronstijd, C. 3000 VOOR CHRISTUS. Vóór de komst van aluminium blikjes, blikken, die eigenlijk van staal waren, bekleed met tin, werden gebruikt bij het bewaren van voedsel. Met deze ontdekking, alfa-tin kan een zeer nuttig materiaal blijken te zijn in toekomstige technologieën.

Xu-aandelen, "Potentiële toepassingen van alfa-tin als een topologisch Dirac-halfmetaal kunnen zijn het profiteren van de hoge mobiliteit van de drager om ultrasnelle elektronische apparaten te genereren. Bovendien, de gigantische magnetoweerstand kan nuttig zijn bij het ontwikkelen van ultracompacte opslagapparaten, zoals harde schijven van computers.

"Verder, dit materiaal zou een platform kunnen zijn voor verder fundamenteel onderzoek met betrekking tot optische eigenschappen, of om eigendommen te vervoeren, inclusief supergeleiding. Er is zelfs potentieel dat het kan worden gebruikt als een platform om Majorana-fermionen te realiseren. Ik denk dat onze nieuwe bevinding voor veel natuurkundigen interessant zal zijn."

Deze bevindingen zijn gepubliceerd in de 4 april, 2017 Fysieke beoordelingsbrieven , in het artikel "Elementaire topologische Dirac semimetal α-Sn op InSb."