Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe structuur gecreëerd die het mogelijk maakt om topologische eigenschappen zo af te stemmen dat deze unieke gedragingen worden in- of uitgeschakeld. De structuur zou mogelijkheden kunnen bieden voor nieuwe verkenningen van de eigenschappen van topologische toestanden van materie.

"Dit is een opwindende nieuwe richting in onderzoek naar topologische materie, " zei M. Zahid Hasan, hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University en een onderzoeker aan het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië die de studie leidde, die op 24 maart in het tijdschrift werd gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang . "We ontwikkelen nieuwe topologische toestanden die niet van nature voorkomen, het openen van tal van exotische mogelijkheden om het gedrag van deze materialen te beheersen."

De nieuwe structuur bestaat uit afwisselende lagen van topologische en normale, of triviaal, isolatoren, een architectuur waarmee de onderzoekers de stroom door de structuur kunnen in- of uitschakelen. Het vermogen om de stroom te regelen suggereert mogelijkheden voor circuits op basis van topologisch gedrag, maar misschien nog belangrijker, presenteert een nieuwe kunstmatige kristalroosterstructuur voor het bestuderen van kwantumgedrag.

Theorieën achter de topologische eigenschappen van materie waren het onderwerp van de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde, toegekend aan F. Duncan Haldane van Princeton University en twee andere wetenschappers. Een klasse van materie zijn topologische isolatoren, die aan de binnenkant isolatoren zijn, maar stroom zonder weerstand op de oppervlakken laten stromen.

In de nieuwe structuur is interfaces tussen de lagen creëren een eendimensionaal rooster waarin topologische toestanden kunnen bestaan. Het eendimensionale karakter van het rooster kan worden gezien alsof men in het materiaal zou snijden en een heel dun plakje zou verwijderen, en kijk dan naar de dunne rand van het plakje. Dit eendimensionale rooster lijkt op een keten van kunstmatige atomen. Dit gedrag treedt op omdat het alleen optreedt wanneer veel lagen op elkaar worden gestapeld.

Door de samenstelling van de lagen te veranderen, kunnen de onderzoekers het hoppen van elektronachtige deeltjes controleren, Dirac-fermionen genoemd, door het materiaal. Bijvoorbeeld, door de triviale isolatielaag relatief dik te maken - nog steeds slechts ongeveer vier nanometer - kunnen de Dirac-fermionen er niet doorheen reizen, waardoor de hele structuur in feite een triviale isolator wordt. Echter, als de triviale isolatielaag dun is - ongeveer één nanometer - kunnen de Dirac-fermionen van de ene topologische laag naar de volgende tunnelen.

Om de twee materialen te vormen, het Princeton-team werkte samen met onderzoekers van de Rutgers University onder leiding van Seongshik Oh, universitair hoofddocent natuurkunde, die in samenwerking met Hasan en anderen in 2012 toonde in werk gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven dat het toevoegen van indium aan een topologische isolator, bismutselenide, zorgde ervoor dat het een triviale isolator werd. Daarvoor werd bismutselenide (Bi2Se3) theoretisch en experimenteel geïdentificeerd als een topologische isolator door het team van Hasan, dat werd gepubliceerd in Natuur in 2009.

"We hadden laten zien dat afhankelijk van hoeveel indium je toevoegt, het resulterende materiaal had deze mooie afstembare eigenschap van triviaal tot topologische isolator, "O zei, verwijzend naar de studie van 2012.

Afgestudeerde studenten Ilya Belopolski van Princeton en Nikesh Koirala van Rutgers combineerden twee ultramoderne technieken met de ontwikkeling van nieuwe instrumenten en werkten samen aan het aanbrengen van lagen op deze twee materialen, bismutselenide en indiumbismutselenide, om de optimale structuur te ontwerpen. Een van de uitdagingen was om de roosterstructuren van de twee materialen op elkaar af te stemmen, zodat de Dirac-fermionen van de ene laag naar de volgende kunnen springen. Belopolski en Suyang Xu werkten samen met collega's van Princeton University, Lawrence Berkeley National Laboratory en meerdere instellingen om hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie met hoge resolutie te gebruiken om het gedrag van de Dirac-fermionen te optimaliseren op basis van een feedbacklus van groei naar meting.

Hoewel er van nature geen topologisch vergelijkbare toestanden bestaan, de onderzoekers merken op dat analoog gedrag kan worden gevonden in een keten van polyacetyleen, dat is een bekend model van eendimensionaal topologisch gedrag zoals beschreven door het theoretische model van een organisch polymeer van Su-Schrieffer-Heeger uit 1979.

Het onderzoek presenteert een uitstapje naar het maken van kunstmatige topologische materialen, zei Hasan. "In de natuur, wat een materiaal ook is, topologische isolator of niet, daar zit je aan vast, " zei Hasan. "Hier zijn we het systeem zo aan het afstemmen dat we kunnen beslissen in welke fase het zou moeten bestaan; we kunnen het topologische gedrag ontwerpen."

Het vermogen om de reis van lichtachtige Dirac-fermionen te regelen, zou er uiteindelijk toe kunnen leiden dat toekomstige onderzoekers de weerstandsloze stroomstroom in topologische materialen benutten. "Dit soort topologisch afstembare heterostructuren zijn een stap in de richting van toepassingen, apparaten maken waar topologische effecten kunnen worden gebruikt, ' zei Hasan.

De Hasan-groep is van plan om manieren te onderzoeken om de dikte af te stemmen en de topologische toestanden te onderzoeken in verband met het kwantum Hall-effect, supergeleiding, magnetisme, en Majorana en Weyl fermion toestanden van materie.