Een internationaal team bij BESSY II onder leiding van prof. Oliver Rader heeft aangetoond dat de raadselachtige eigenschappen van samariumhexaboride niet voortkomen uit het feit dat het materiaal een topologische isolator is, zoals eerder werd voorgesteld. Theoretisch en eerste experimenteel werk had uitgewezen dat dit materiaal, die bij zeer lage temperaturen een Kondo-isolator wordt, bezat ook de eigenschappen van een topologische isolator. Het team heeft nu een overtuigende alternatieve verklaring gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Samariumhexaboride is een donkere vaste stof met metaalachtige eigenschappen bij kamertemperatuur. Het herbergt Samarium, een element met meerdere elektronen beperkt tot gelokaliseerde f-orbitalen waarin ze sterk met elkaar interageren. Hoe lager de temperatuur, hoe duidelijker deze interacties worden. SmB6 wordt wat bekend staat als een Kondo-isolator, vernoemd naar Jun Kondo, die dit kwantumeffect voor het eerst verklaarde.

Ongeveer 40 jaar geleden, natuurkundigen merkten op dat SmB6 nog steeds de restgeleiding behield bij temperaturen onder 4 kelvin, waarvan de oorzaak tot op heden onduidelijk was gebleven. Na de ontdekking van de topologische isolatorklasse van materialen ongeveer 12 jaar geleden, hypothesen werden steeds sterker dat SmB6 zowel een topologische isolator als Kondo-isolator zou kunnen zijn, die de geleidingsafwijking op een zeer fundamenteel niveau zou kunnen verklaren, omdat dit bepaalde geleidende toestanden aan het oppervlak veroorzaakt. De eerste experimenten wezen hier zelfs op.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van prof. Oliver Rader heeft bij BESSY II bijzonder goede monsters van SmB6 onderzocht. De voorbeelden, gegroeid door samenwerkende partners in Oekraïne, werden langs specifieke kristalvlakken gekliefd en bestudeerd met behulp van ARPES 13, het unieke apparaat met hoge resolutie voor foto-emissiespectroscopie met hoekresolutie bij BESSY II. De natuurkundigen waren in staat om de nodige cryotemperaturen onder de 1 kelvin te bereiken en vrij nauwkeurig de energieniveaus van de elektronenbanden te meten met betrekking tot de geometrie van het kristal.

Eerste analyse:geen topologische isolator

Hun metingen bevestigden het resultaat dat elektronen op het oppervlak mobiel zijn, maar de onderzoekers vonden bewijs dat het even aantal waargenomen bandovergangen onverenigbaar is met de elektronen die topologische oppervlaktetoestanden bezetten.

In de vervolgexperimenten de onderzoekers zochten intensief naar een alternatieve verklaring voor de aan het oppervlak aangetoonde geleidbaarheid. "We konden aantonen dat de gaten tussen de toegestane energieniveaus van de elektronen die door het Kondo-effect open gingen, aan de oppervlakte een beetje verschoven waren. het monster blijft alleen daar geleidend. Dit betekent duidelijk, echter, dat de opmerkelijke oppervlaktegeleidbaarheid niet gerelateerd is aan de topologie van het systeem, ", legt dr. Emile Rienks uit die de experimenten uitvoerde met promovendus Peter Hlawenka (HZB en Universiteit Potsdam).

Het onderzoek naar topologische isolatoren en andere materialen die uitgesproken kwantumeffecten vertonen, zou kunnen leiden tot nieuwe elektronische componenten voor energie-efficiënte informatietechnologie. Informatie kan worden verwerkt en opgeslagen met minimale energie-input als we deze materialen beter kunnen begrijpen en daardoor kunnen beheersen.