Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuwe, exotische vorm van isolatiemateriaal met een metalen oppervlak dat efficiëntere elektronica of zelfs kwantumcomputers mogelijk zou kunnen maken. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe methode voor het analyseren van bestaande chemische verbindingen die gebaseerd is op de wiskundige eigenschappen zoals symmetrie die de herhalende patronen bepalen die te zien zijn in alledaags behang.

"Het mooie van topologie is dat je symmetrieprincipes kunt toepassen om materialen te vinden en te categoriseren, " zei B. Andrei Bernevig, een professor in de natuurkunde aan Princeton.

Het onderzoek, verschijnt op 20 juli in het tijdschrift Wetenschap , omvatte een samenwerking tussen groepen van Princeton University, de Universiteit van Pennsylvania (Penn), Sungkyunkwan-universiteit, Freie Universität Berlin en het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica.

De ontdekking van deze vorm van lood-strontium (Sr ₂ Pb ₃ ) voltooit een tien jaar durende zoektocht naar een ongrijpbaar driedimensionaal materiaal dat de unieke elektronische eigenschappen van tweedimensionaal grafeen en driedimensionale topologische isolatoren combineert, een fase van materie die in 2005 werd ontdekt in onafhankelijke werken van Charles Kane in Penn en Bernevig in Princeton.

Sommige wetenschappers hebben getheoretiseerd dat topologische isolatoren, die aan hun binnenkant isoleren maar aan hun oppervlak elektriciteit geleiden, zou kunnen dienen als basis voor supersnelle quantum computing.

"Je kunt denken aan een topologische isolator zoals de kus van een Hershey, " zei Kane, een corresponderende auteur op het papier. "De chocolade is de isolator en de folie is een geleider. We hebben geprobeerd nieuwe klassen materialen te identificeren waarin kristalsymmetrieën het geleidende oppervlak beschermen. Wat we hier hebben gedaan, is de eenvoudigste soort topologische kristallijne isolator identificeren. "

Het nieuwe werk laat zien hoe de symmetrieën van bepaalde tweedimensionale oppervlakken, bekend als de 17 behanggroepen vanwege hun behangachtige patronen, de ruimtelijke ordening (topologie) van driedimensionale isolatoren beperken.

In een conventionele driedimensionale topologische isolator, elk tweedimensionaal oppervlak vertoont een enkele karakteristieke groep toestanden met kegelachtige dispersie. Deze kegels lijken op de elementen op grafeen die Dirac-kegels worden genoemd. kenmerken die het materiaal en andere tweedimensionale Dirac-halfmetalen doordrenken met hun ongebruikelijke elektronische transportkwaliteiten, maar ze zijn verschillend omdat grafeen in totaal vier Dirac-kegels heeft in twee paren die aan elkaar zijn "gelijmd".

Kane vermoedde dat met kristalsymmetrieën, een tweede soort topologische isolator zou kunnen bestaan ​​met een enkel paar gelijmde Dirac-kegels. "Wat ik me realiseerde was dat een enkel paar Dirac-kegels onmogelijk is in een puur tweedimensionaal materiaal, maar het zou mogelijk kunnen zijn aan de oppervlakte van een nieuw soort topologische isolator. Maar toen ik probeerde zo'n staat te construeren, de twee kegels kwamen altijd los."

Een oplossing ontstond toen Benjamin Wieder, toen een afgestudeerde student in de groep van Kane en nu een postdoctoraal medewerker van Princeton, Princeton bezocht. bij Princeton, Bernevig en collega Zhi Jun Wang hadden zojuist 'zandloperisolatoren' ontdekt - topologische isolatoren met vreemde patronen van in elkaar grijpende zandloperachtige toestanden - die Wieder herkende als te handelen alsof je een driedimensionaal kristal had omwikkeld met een speciaal soort patroonbehang.

"We realiseerden ons dat je niet alleen de zandloperisolator kon krijgen, maar ook deze speciale Dirac isolator, door een kristal te vinden dat eruitzag alsof het bedekt was met het juiste behang, ' zei Wieder.

Vooral, ze herkenden dat een gelijmd paar Dirac-kegels kon worden gestabiliseerd op kristaloppervlakken met twee kruisende lijnen waarlangs de oppervlakken er identiek uitzien nadat ze zijn omgedraaid en loodrecht gedraaid. Deze lijnen, bekend als glijdende reflecties, karakteriseren de zogenaamde niet-symmorfe behanggroepen, en daarmee de naamgever van deze nieuwe fase, die het team een ​​"niet-symmetrische Dirac-isolator" noemde.

De onderzoekers gingen snel aan de slag door wiskundige nauwkeurigheid toe te passen op Wieder's inspiratie, resulterend in een nieuwe, op symmetrie gebaseerde methodologie voor het diagnosticeren van de bulktopologie van driedimensionale kristallen.

"De basisprincipes zijn zo eenvoudig dat we ze diezelfde avond op servetten hebben geschetst, " zei co-auteur Barry Bradlyn, een associate research scientist in het Princeton Centre for Theoretical Science (PCTS).

"Maar ze zijn niettemin robuust genoeg om een ​​dierentuin van nieuwe topologische fasen in echte materialen te voorspellen en te begrijpen, " zei Wang, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de natuurkunde.

De ontdekking stelde de wetenschappers voor het eerst in staat om de symmetrie van een oppervlak direct te relateren aan de aanwezigheid van gewenste topologische oppervlaktetoestanden, zei Penns Andrew Rappe, een andere co-auteur op het papier. "Dit maakt een elegante en onmiddellijk bruikbare manier mogelijk om gewenste oppervlakte- en interfacetoestanden te ontwerpen."

Om de Dirac-isolatiefase in de natuur te identificeren, de onderzoekers berekenden de elektronische structuren van honderden eerder gesynthetiseerde verbindingen met oppervlakken met twee glijlijnen (behanggroepen pgg en p4g) voordat ze de nieuwe topologie in lood-strontium identificeerden.

De computationele chemici "wisten dat ze op zoek waren naar een speld in een hooiberg, maar niemand nam de moeite om hen te vertellen hoe klein de naald zou kunnen zijn, " zei Jennifer Cano, een associate research scientist bij PCTS.

Naarmate er nog meer exotische topologische isolatoren worden ontdekt, de rol van behanggroepsymmetrie, en van de speciale, grafeenachtige kegels in de Dirac-isolator, zijn verder verstevigd.

"Als je een echte Dirac-kegel op het oppervlak kunt splitsen terwijl je de tijdomkeringssymmetrie behoudt, er gebeurt iets heel bijzonders, "zei Bernevig. "Je krijgt driedimensionale isolatoren waarvan de tweedimensionale oppervlakken ook een soort topologische isolator zijn." Dergelijke fasen zijn onlangs voorspeld in bismutkristallen en molybdeenditelluride (MoTe2) door verschillende leden van de samenwerking.

Verder, met behulp van een nieuwe theorie, topologische kwantumchemie, de onderzoekers hopen nog veel meer van deze exotische fasen te vinden.

"Als we deze materialen zouden kunnen schilderen met het juiste behang, we zouden meer Dirac-isolatoren zien, " zei Wieder, "maar soms, het verkeerde behang is ook interessant."