Onderzoek geleid door de universiteiten van St. Andrews en Tokio onthult een nieuw begrip over het creëren van topologische elektronische toestanden in vaste stoffen, wat de ontwikkeling van verbeterde materialen voor snelle en energiezuinige elektronische apparaten zou kunnen stimuleren. De bevindingen kunnen leiden tot nieuwe soorten computerchips die veel krachtiger kunnen zijn dan die in de huidige computers en smartphones.

De manier waarop elektronen zich in een vaste stof gedragen, wordt bepaald door de elektronische structuur, een met elkaar verweven netwerk van 'banden' die de toegestane energieën en momenten van elektronen in de vaste stof bepalen. Als het juiste type banden elkaar kruisen, dit kan aanleiding geven tot interessante, en potentieel uiterst nuttig, fysieke eigenschappen van materialen. Bijvoorbeeld, onlangs werd gerealiseerd dat geïsoleerde contactpunten van deze banden kunnen worden gestabiliseerd door bepaalde kristallijne symmetrieën, het creëren van zogenaamde Dirac-fermionen in de bulk elektronische structuur. Hierdoor kunnen elektronen in het grootste deel van het kristal zich gedragen alsof het massaloze deeltjes zijn. effectief een bulkanaloog van het atomair dunne materiaal grafeen. Behalve dat het een opwindende speeltuin is voor het bestuderen van fundamentele concepten van deeltjes in de natuurkunde, dit kan leiden tot ultrahoge mobiliteit van ladingsdragers, een eigenschap die kan worden gebruikt om extreem goede geleiders te maken.

Als de oversteek niet is beveiligd, een andere opwindende toestand die een 'topologische isolator' wordt genoemd, kan worden gestabiliseerd. Hier, het grootste deel van het materiaal gedraagt ​​zich op dezelfde manier als een normale elektrische isolator, maar het oppervlak ondersteunt zogenaamde 'topologische oppervlaktetoestanden' - extra banden die beschermde kruispunten vormen die alleen elektronen bevatten die op het materiële oppervlak zijn gelokaliseerd. Practisch gesproken, deze oppervlaktetoestanden zorgen voor een geleidende schil rond de materiaalmassa, die intact kan blijven, zelfs als het materiaal defecten of schade vertoont. Een elektronische isolator kan daarom aan het oppervlak worden omgezet in een goede geleider, met mogelijke toepassingen in voorgestelde elektronica-schema's die zowel de spin van het elektron als de lading ervan benutten.

Gezien het fundamentele en praktische belang van dergelijke systemen, er zijn de laatste tijd enorme inspanningen geleverd om verbindingen te identificeren waar dit soort toestanden kan worden gevonden. Om een ​​reeks leidende principes te ontwikkelen om dit te bereiken, een internationaal team van wetenschappers uit het VK, Azië en Europa hebben gedetailleerde theoretische modellering gecombineerd met state-of-the-art experimentele studies. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen (27 november), demonstreren een zeer algemeen mechanisme voor het genereren van meerdere sets van topologische oppervlaktetoestanden en driedimensionale Dirac-fermionen allemaal binnen hetzelfde materiaal. De onderzoekers vonden hiervoor bewijs in zes afzonderlijke verbindingen uit de familie van gelaagde overgangsmetaaldichalcogeniden, een materiaalsysteem dat extreem zwaar is bestudeerd vanwege het brede scala aan nieuwe fysieke fasen die ze bevatten, van onconventionele halfgeleiders tot supergeleiders, en hun potentieel om op te treden als grafeenanalogen van de volgende generatie.

Saeed Bahramy, van de Universiteit van Tokio en het RIKEN-centrum in Japan, die het theoretische werk leidde, merkte op:"Overgangsmetalen dichalcogeniden zijn vooral bekend om hun unieke elektronische, spintronic en valleytronic eigenschappen. Wetende dat ze inherent dergelijke nieuwe topologische fasen kunnen hosten, brengt nieuwe mogelijkheden met zich mee voor de realisatie van elektronische apparaten van de volgende generatie met geavanceerde functionaliteiten."

De sleutel tot de bevindingen van de onderzoekers is een verschil in hoe elektronen langs verschillende richtingen van het kristal kunnen bewegen, gekoppeld aan een eenvoudige rotatiesymmetrie die sommige bandovergangen kan beschermen. De studie toonde aan hoe dit op natuurlijke wijze leidt tot de vorming van gestapelde sets van topologische oppervlaktetoestanden en 3-D Dirac-fermionen in de overgangsmetaaldichalcogeniden. De bevindingen moeten niet beperkt blijven tot dit materiaalsysteem. Vergelijkbare startvoorwaarden zijn te vinden in veel verschillende materialen, het opwindende vooruitzicht dat de hier ontdekte kenmerken in feite aanzienlijk vaker voorkomen dan doorgaans wordt aangenomen.

Olivier Clark, van de School voor Natuurkunde en Sterrenkunde aan de Universiteit van St. Andrews, die het experimentele werk leidde, voegt toe:"Het aantal ingrediënten dat je nodig hebt om deze eigenschappen in een bepaald materiaal te laten ontstaan, is erg klein, en elk van hen is heel gewoon. Dit vergroot dus drastisch het scala aan mogelijke materialen waarin je deze topologische handtekeningen kunt verwachten."

De papieren alomtegenwoordige vorming van bulk Dirac-kegels en topologische oppervlaktetoestanden van een enkele orbitale variëteit in overgangsmetaaldichalcogeniden door MS Bahramy, O J Clark et al is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .