De Nobelprijs voor de natuurkunde in 2016 werd toegekend voor de theorie van de topologische materie. Topologische isolatoren zijn nieuwe materialen met bijzondere elektronische eigenschappen en zijn van groot fundamenteel en toepassingsgericht belang. Hoe dan ook, natuurkundigen hebben geworsteld met een tien jaar oude puzzel waarin de resultaten van de twee beste methoden om hun elektronische toestanden te onderzoeken het met elkaar oneens zijn. Onderzoekers uit Amsterdam, waaronder twee door FOM gefinancierde promovendi, met medewerkers in Frankrijk, Zwitserland en Duitsland weten nu precies waarom.

Topologische isolatoren zijn vreemd spul. Het grootste deel van zo'n kristal is isolerend en kan geen elektrische stroom dragen, toch geleiden de oppervlakken van datzelfde kristal. Deze nieuwe materialen zijn van groot fundamenteel belang, maar zijn ook veelbelovend voor een aantal toekomstige toepassingen in speciale soorten elektronica en in kwantumberekening, en dus zijn ze het onderwerp van een substantiële onderzoeksinspanning op het gebied van natuurkunde. Het belang van topologische materialen werd vorig jaar onderstreept met de toekenning van de Nobelprijs voor de ontwikkeling van fundamentele theorieën over het bestaan ​​en het gedrag van topologische materie.

Er zijn twee krachtige experimentele methoden om het gedrag van de elektronen - de deeltjes die elektrische stroom voeren - aan het oppervlak van een topologische isolator te onderzoeken. De eerste omvat het sturen van een stroom door het systeem in de aanwezigheid van een zeer groot magnetisch veld, en staat bekend als magnetotransport. De tweede omvat het gebruik van een ultraviolette lichtstraal om het oppervlak van het kristal te onderzoeken. In dit geval, de energie van een lichtdeeltje kan worden geabsorbeerd door een elektron en op deze manier kunnen degenen die zich dichtbij het oppervlak bevinden aan het kristal ontsnappen en worden geanalyseerd. Onderzoekers kunnen dit foto-elektrische effect gebruiken om waardevolle informatie te verzamelen over de elektronische eigenschappen aan het oppervlak van een topologische isolator, de plaats waar alle actie is. Dit soort experiment wordt foto-emissie genoemd.

Sinds meer dan 10 jaar, onderzoekers zijn verbijsterd over waarom deze twee experimenten het volledig oneens zijn wanneer ze worden toegepast op topologische isolatoren. Nu onderzoekers uit Amsterdam, waaronder twee door FOM gefinancierde promovendi, samen met medewerkers in Frankrijk, Zwitserland en Duitsland hebben onlangs een glimp opgevangen van de redenen waarom. De hypothese? De allereerste UV-lichtflits, nodig om de foto-emissiegegevens vast te leggen, zelf verandert de elektronische structuur aan de oppervlakte.

De hoeveelheid die beschrijft en verklaart hoe elektronen in een vaste stof hun werk doen, wordt de bandstructuur genoemd. Het kan worden gezien als een soort wegennet, die de toegestane combinaties van energie en golflengte in kaart brengt die de elektronengolven in het kristal kunnen hebben. Een plak door zo'n bandstructuur kan eenvoudig worden weergegeven als een 2D-afbeelding zoals die in de hier getoonde afbeeldingen. Dit soort snapshot bevat waardevolle informatie over de elektronische structuur van een topologische isolator, en in het bijzonder de energetische locatie van het kruispunt van de twee takken die zichtbaar zijn in de bandstructuur. Deze speciale functie - gemarkeerd met een gekleurde markering in de afbeeldingen - wordt het Dirac-punt genoemd, genoemd naar theoretisch fysicus Paul Dirac wiens theorie voor het eerst elektronen beschreef zoals die aan het oppervlak van een topologische isolator.

Normaal gesproken, het opnemen van een bandstructuurbeeld kost een minuut of meer. Maar hier hebben de onderzoekers hard gewerkt om dit terug te brengen tot slechts een enkele seconde, en de linker afbeelding was het resultaat. Het Dirac-punt (groene cirkel) komt op een energie die overeenkomt met die van magnetotransportgegevens. Na slechts 20 seconden UV-blootstelling, de rode markering in de rechter foto laat zien dat het Dirac-punt, en de rest van de bandstructuur ermee is ver naar beneden gegleden in energie, verre van de waarde gevonden in de transportexperimenten.

Het was al bekend dat moleculen die aan het oppervlak van de topologische isolator kleven een neerwaartse verschuiving van het Dirac-punt kunnen veroorzaken. Deze nieuwe experimenten waren in staat om het effect van de moleculen aan het oppervlak en dat van het UV-licht te ontwarren, zo konden de onderzoekers aantonen dat de allereerste lichtflits in feite de rol van het startpistool speelt, het veroorzaken van een snelle neerwaartse verschuiving van het Dirac-punt.

Deze nieuwe resultaten zijn zeer nuttig, aangezien foto-emissie een zeer belangrijk experiment is op het gebied van topologische materialen. Maar bedoelen ze daarmee dat foto-emissie rijp is voor de vuilnisbak? Integendeel! Nu het effect van het UV-licht goed wordt begrepen, er zouden protocollen kunnen worden ontwikkeld over hoe foto-emissie op de juiste manier kan worden gebruikt in toekomstige studies van topologische isolatoren. De foto-emissieresultaten en de richtlijnen voor verbeterde experimentele procedures zijn deze week gepubliceerd in het toonaangevende (open access) natuurkundetijdschrift, Fysieke beoordeling X .