De realisatie van zogenaamde topologische materialen, die exotische, defectbestendige eigenschappen en zullen naar verwachting toepassingen hebben in elektronica, optiek, kwantumcomputers, en andere gebieden - heeft een nieuw rijk geopend in het ontdekken van materialen.

Verschillende van de tot nu toe veel bestudeerde topologische materialen staan ​​bekend als topologische isolatoren. Van hun oppervlakken wordt verwacht dat ze elektriciteit geleiden met zeer weinig weerstand, enigszins verwant aan supergeleiders, maar zonder de noodzaak van ongelooflijk koude temperaturen, terwijl hun interieur - het zogenaamde "bulk" van het materiaal - geen stroom geleidt.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft de sterkste topologische geleider ooit ontdekt, in de vorm van dunne kristalmonsters met een spiraalvormige trapstructuur. De studie van kristallen van het team, nagesynchroniseerde topologische chirale kristallen, wordt gerapporteerd in de 20 maart-editie van het tijdschrift Natuur .

De DNA-achtige spiraalstructuur, of helicoïde, in het kristalmonster dat de focus van de laatste studie was, vertoont een chiraliteit of "handigheid - aangezien een persoon zowel linkshandig als rechtshandig kan zijn, en de linkerhand is een spiegelbeeld van de rechterhand. Chirale eigenschappen kunnen in sommige gevallen worden omgedraaid, zoals een linkshandige een rechtshandige wordt.

"In dit nieuwe werk bewijzen we in wezen dat dit een nieuwe staat van kwantummaterie is, die ook bijna ideale topologische oppervlakte-eigenschappen vertoont die naar voren komen als gevolg van de chiraliteit van de kristalstructuur, " zei M. Zahid Hasan, een topologische materiaalpionier die de materiaaltheorie en -experimenten leidde als gastwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. Hasan is ook de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University.

Een eigenschap die topologische geleidbaarheid definieert - die gerelateerd is aan de elektrische geleidbaarheid van het oppervlak van het materiaal - werd gemeten als ongeveer 100 keer groter dan die waargenomen in eerder geïdentificeerde topologische metalen.

Dit pand, bekend als de Fermi-boog aan het oppervlak, werd onthuld in röntgenexperimenten in Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) met behulp van een techniek die bekend staat als foto-emissiespectroscopie. De ALS is een synchrotron die intens licht produceert - van infrarood tot hoogenergetische röntgenstralen - voor tientallen gelijktijdige experimenten.

Topologie is een goed ingeburgerd wiskundig concept dat betrekking heeft op het behoud van de geometrische eigenschappen van een object, zelfs als een object op andere manieren wordt uitgerekt of vervormd. Sommige van zijn experimentele toepassingen in 3D elektronische materialen - zoals het ontdekken van topologisch gedrag in elektronische structuren van materialen - werden pas iets meer dan tien jaar geleden gerealiseerd, met vroege en voortdurende bijdragen van Berkeley Lab.

"Na meer dan 12 jaar onderzoek in topologische fysica en materialen, Ik geloof echt dat dit slechts het topje van de ijsberg is, " voegde Hasan eraan toe. "Op basis van onze metingen, dit is de meest robuuste, topologisch beschermd geleidermetaal dat iemand heeft ontdekt - het brengt ons naar een nieuwe grens."

Topologisch beschermd betekent dat sommige eigenschappen van het materiaal betrouwbaar constant zijn, zelfs als het materiaal niet perfect is. Die kwaliteit versterkt ook de toekomstige mogelijkheid van praktische toepassingen en maakbaarheid van dit soort materialen.

Ilja Belopolski, een Princeton-onderzoeker die deelnam aan zowel de theorie als het experimentele werk, merkte op dat een bijzonder interessante eigenschap van de bestudeerde kristallen - waaronder kobalt-silicium- en rhodium-siliciumkristallen - is dat ze een elektrische stroom met een vaste sterkte kunnen produceren als je er een licht op schijnt.

"Onze eerdere theorieën toonden aan dat - op basis van de elektronische eigenschappen van het materiaal die we nu hebben waargenomen - de stroom zou worden vastgesteld op specifieke waarden, "zei hij. "Het maakt niet uit hoe groot de steekproef is, of als het vies is. Het is een universele waarde. Dat is geweldig. Voor toepassingen, de prestaties zullen hetzelfde zijn."

In eerdere experimenten bij de ALS, Hasans team had het bestaan ​​onthuld van een soort massaloze quasideeltjes die bekend staan ​​als Weyl-fermionen, waarvan pas ongeveer 85 jaar bekend was dat ze in theorie bestonden.

De Weyl-fermionen, die werden waargenomen in synthetische kristallen van een halfmetaal genaamd tantaalarsenide, enige vergelijkbare elektronische eigenschappen vertonen als die gevonden in de kristallen die in de laatste studie zijn gebruikt, maar misten hun chirale eigenschappen. Halfmetalen zijn materialen die sommige metalen en sommige niet-metalen eigenschappen hebben.

"Ons eerdere werk aan Weyl-halfmetalen baande de weg voor onderzoek naar exotische topologische geleiders, " zei Hasan. In een onderzoek van november 2017 dat zich richtte op de theorie rond deze exotische materialen, Het team van Hasan voorspelde dat elektronen in rhodium-silicium en veel verwante materialen zich op zeer ongebruikelijke manieren gedroegen.

Het team had voorspeld dat quasideeltjes in het materiaal - beschreven door de collectieve beweging van elektronen - tevoorschijn komen als massaloze elektronen en zich zouden moeten gedragen als vertraagde, 3D-deeltjes van licht, met duidelijke handigheid of chiraliteitskenmerken in tegenstelling tot topologische isolatoren of grafeen.

Ook, hun berekeningen, gepubliceerd op 1 oktober 2018 in de Natuurmaterialen logboek, suggereerde dat elektronen in de kristallen zich collectief zouden gedragen alsof ze magnetische monopolen zijn in hun beweging. Magnetische monopolen zijn hypothetische deeltjes met een enkele magnetische pool, zoals de aarde zonder zuidpool die onafhankelijk van een noordpool kan bewegen.

Al dit ongewone topologische gedrag wijst terug naar de chirale aard van de kristalmonsters, die een spiraalvormige of "spiraalvormige" elektronische structuur creëren, zoals waargenomen in de experimenten, merkte Hasan op.

De bestudeerde monsters, die kristallen bevatten met een diameter tot een paar millimeter, werden van tevoren opgesteld door verschillende internationale bronnen. De kristallen werden gekarakteriseerd door Hasan's groep in Princeton's Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopie met behulp van een lage-temperatuur scanning tunneling microscoop die monsters op atomaire schaal kan scannen, en de monsters werden vervolgens naar Berkeley Lab getransporteerd.

Voordat ik aan de ALS ging studeren, de monsters hebben een gespecialiseerde polijstbehandeling ondergaan in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een wetenschappelijke onderzoeksfaciliteit op nanoschaal. Daniel Sanchez en Tyler Cochran, Princeton-onderzoekers die hebben bijgedragen aan het onderzoek, zei dat monsters voor dergelijke studies typisch "gesplitst, " of gebroken zodat ze atomair vlak zijn.

Maar in dit geval, de kristalbindingen waren erg sterk omdat de kristallen een kubusvorm hebben. Dus teamleden werkten samen met personeel van de Molecular Foundry om hoogenergetische argonatomen op de kristalmonsters te schieten om ze schoon te maken en plat te maken, en vervolgens herkristalliseerd en gepolijst de monsters door middel van een verwarmingsproces.

De onderzoekers gebruikten twee verschillende röntgenbundellijnen bij de ALS (Beamline 10.0.1 en Beamline 4.0.3) om de ongebruikelijke elektronische en spin-eigenschappen van de kristalmonsters te ontdekken.

Omdat het elektronische gedrag in de monsters de chiraliteit in de structuur van de kristallen lijkt na te bootsen, Hasan zei dat er veel andere wegen zijn om te verkennen, zoals testen of supergeleiding kan worden overgedragen over andere materialen naar de topologische geleider.

"Dit zou kunnen leiden tot een nieuw type supergeleider, " hij zei, "of de verkenning van een nieuw kwantumeffect. Is het mogelijk om een ​​chirale topologische supergeleider te hebben?"

Ook, terwijl de topologische eigenschappen die in de laatste studie zijn waargenomen in rhodium-silicium- en kobalt-siliciumkristallen als ideaal worden beschouwd, er zijn veel andere materialen geïdentificeerd die kunnen worden bestudeerd om hun potentieel voor verbeterde prestaties voor toepassingen in de echte wereld te meten, zei Hasan.

"Het blijkt dat dezelfde fysica in de toekomst misschien ook mogelijk is in andere verbindingen die meer geschikt zijn voor apparaten, " hij zei.

"Het geeft een enorme voldoening als je iets exotisch voorspelt en het ook in de laboratoriumexperimenten naar voren komt, "Hasan voegde eraan toe, wijzend op de eerdere successen van zijn team bij het voorspellen van de topologische eigenschappen van materialen. "Met definitieve theoretische voorspellingen, we hebben theorie en experimenten gecombineerd om de kennisgrens te bevorderen."