Topologische isolatoren zijn een van de meest opwindende ontdekkingen van de 21e eeuw. Ze kunnen eenvoudig worden omschreven als materialen die elektriciteit geleiden op hun oppervlak of rand, maar zijn isolerend in hun inwendige massa. Hun geleidende eigenschappen zijn gebaseerd op spin, een kwantummechanische eigenschap, en dit onderdrukt de normale verstrooiing van elektronen door onzuiverheden in het materiaal, of andere elektronen, en de hoeveelheid energie die daardoor verloren gaat aan warmte. In tegenstelling tot supergeleiders, topologische isolatoren kunnen werken bij kamertemperatuur, de mogelijkheid bieden om onze huidige elektronica te vervangen door kwantumcomputers en 'spintronische' apparaten die kleiner zouden zijn, sneller, krachtiger en energiezuiniger. Topologische isolatoren worden geclassificeerd als 'sterk' of 'zwak', en experimentele bevestigingen van de sterke topologische isolator (STI) volgden snel theoretische voorspellingen. Echter, de zwakke topologische isolator (WTI) was moeilijker experimenteel te verifiëren, als de topologische toestand naar voren komt op bepaalde zijvlakken, die typisch niet detecteerbaar zijn in echte 3D-kristallen. In recent gepubliceerd onderzoek in Natuur , een team van onderzoekers uit Japan gebruikte synchrotron-technieken om experimenteel bewijs te leveren voor de WTI-toestand in een bismutjodidekristal.

De quasi-eendimensionale (1-D) bismutjodidekristallen α-Bi4I4 en β-Bi4I4 hebben zeer vergelijkbare structuren, die alleen verschillen in hun stapelvolgorde langs de c-as. Dit kleine verschil in structuur leidt tot een aanzienlijk verschil in de soortelijke weerstand van de twee fasen, zowel in absolute grootte als in temperatuurafhankelijkheid. Bij kamertemperatuur vinden eerste-ordeovergangen plaats tussen de twee kristalfasen, waarbij de meer resistieve α-fase zich bij voorkeur vormt wanneer het monster langzaam wordt afgekoeld.

Het onderzoeksteam gebruikte lasergebaseerde hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) metingen met hoge energie- en momentumresoluties om de elektronische structuren van α-Bi4I4 en β-Bi4I4 te bepalen. Ze observeerden een superpositie van de ARPES-signalen van de (001) en (100) vlakken in deze experimenten, omdat de laservlek veel groter was dan elk terras en elk facet dat op een gekloofd oppervlak werd blootgesteld. In β -Bi4I4, ze observeerden een Dirac-kegelachtige energiedispersie nabij de Fermi-energie, EF - afwijkende toestand die niet werd gedetecteerd in het triviale α-Bi4I4, en die te wijten zou moeten zijn aan een topologisch oppervlak. Een vergelijkbare quasi-1D-toestand werd bevestigd door ARPES bij een hogere fotonenergie. De enige mogelijke verklaring voor de waargenomen quasi-1D Dirac-toestand is dat deze afkomstig is van het topologische zijoppervlak (100) van een WTI.

Om uitsluitend het WTI-oppervlak te onderzoeken, ze wendden zich tot een oppervlakte-selectieve ARPES-techniek - nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) is een opwindende ontwikkeling in synchrotrontechnieken, die de hoge ruimtelijke resolutie van een microscoop combineert met de energie- en momentumresolutie van de ARPES-techniek. De nARPES-tak van beamline I05 heeft een eindstation dat ruimtelijk opgelost ARPES levert vanaf ultrakleine spotgroottes. Met behulp van een fotonenstraal gefocusseerd op een plek van minder dan 1 m groot, het team kon het (100) vliegtuig observeren zonder enige besmetting.

De WTI-staat

De onderzoekers verkregen een microscopische intensiteitskaart voor een klein decolletéoppervlak, nARPES gebruiken vóór hoekopgeloste metingen

Vervolgens observeerden ze een quasi-eendimensionale topologische oppervlaktetoestand van Dirac aan het zijoppervlak (het (100) vlak), terwijl het bovenoppervlak (het (001) vlak) topologisch donker is zonder topologische oppervlaktetoestanden. Hun resultaten visualiseerden de WTI-toestand gerealiseerd in β-Bi4I4, en toonde aan dat een kristalovergang van de β-fase naar de α-fase een topologische faseovergang van een niet-triviale WTI naar een normale isolator bij kamertemperatuur drijft.

De geïdentificeerde WTI-staat kan verschillende wetenschappelijke en technologische implicaties hebben. Omdat het wordt beschouwd als de 3D-analoog van de Quantum spin Hall (QSH) isolator, en kan een zeer gerichte spinstroom genereren over een breed zijoppervlak van het 3D-kristal, de ontdekking ervan zou een verdere diepgaande studie van exotische kwantumverschijnselen moeten stimuleren. In bismutjodide kan het ontstaan ​​van robuuste spinstromen worden gecontroleerd door kristalfasen te selecteren die topologisch of niet-topologisch zijn. rond kamertemperatuur.

Dit onderzoek is daarmee een stap in de richting van fundamenteel en technologisch onderzoek naar 3D-analogen van QSH-isolatoren, en kan uiteindelijk leiden tot nieuwe elektronische en spintronische technologieën.