Onderzoekers van PSI hebben een nieuw kristallijn materiaal onderzocht dat elektronische eigenschappen vertoont die nog nooit eerder zijn gezien. Het is een kristal van aluminium en platina-atomen die op een speciale manier zijn gerangschikt. In de symmetrisch herhalende eenheidscellen van dit kristal, individuele atomen waren op een zodanige manier van elkaar verwijderd dat ze - zoals verbonden in het geestesoog - de vorm van een wenteltrap volgden. Dit resulteerde in nieuwe eigenschappen van elektronisch gedrag voor het kristal als geheel, waaronder zogenaamde Rarita-Schwinger-fermionen in het binnenste en zeer lange en viervoudige topologische Fermi-bogen op het oppervlak. De onderzoekers hebben hun resultaten nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

Ze rapporteren een nieuw soort quasideeltjes. Quasideeltjes zijn toestanden in materiaal die zich op een bepaalde manier gedragen als werkelijke elementaire deeltjes. Twee natuurkundigen, William Rarita en Julian Schwinger, voorspelde dit type quasideeltjes voor het eerst in 1941, die bekend kwamen te staan ​​als Rarita-Schwinger-fermionen. Deze zijn nu voor het eerst experimenteel gedetecteerd, mede dankzij metingen bij de Zwitserse Synchrotron Light Source SLS bij PSI.

"Zo ver we weten, we zijn - gelijktijdig met drie andere onderzoeksgroepen - een van de eersten die Rarita-Schwinger-fermionen zagen, " zegt Niels Schröter, een onderzoeker bij PSI en eerste auteur van de nieuwe studie.

De zoektocht naar exotische elektronentoestanden

De onderzoekers ontdekten de quasideeltjes terwijl ze een nieuw materiaal onderzochten:een speciaal aluminium-platinakristal. "Als je het met het blote oog bekijkt, ons kristal was gewoon een kleine kubus van ongeveer een halve centimeter groot en zwartachtig zilver, ", zegt Schröter. "Onze collega's van het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden produceerden het met een speciaal proces. Naast de onderzoekers in Dresden, wetenschappers in Groot-Brittannië, Spanje en de VS waren ook betrokken bij de huidige studie. Het doel van de Dresdense onderzoekers was om tot een op maat gemaakte rangschikking van de atomen in het kristalrooster te komen.

In een kristal, elk atoom neemt een exacte ruimte in. Een vaak kubusvormige groep van aangrenzende atomen vormt een basiselement, de zogenaamde eenheidscel. Dit herhaalt zich in alle richtingen en vormt zo het kristal met zijn typische symmetrieën, die ook van buitenaf zichtbaar zijn. Echter, in het nu onderzochte aluminium-platinakristal, individuele atomen in aangrenzende elementaire cellen waren enigszins verschoven van elkaar zodat ze de vorm van een wenteltrap volgden, een spiraalvormige lijn. "Het werkte dus precies zoals gepland:we hadden een chiraal kristal, ", legt Schröter uit.

Kristallen als twee handen

Chirale materialen kunnen worden vergeleken met het spiegelbeeld van de linker- en rechterhand. In sommige chirale kristallen, de denkbeeldige wenteltrap van de atomen loopt met de klok mee, en bij anderen, het loopt tegen de klok in. "Wij onderzoekers vinden chirale materialen erg opwindend, omdat wiskundige modellen veel voorspellingen doen dat er exotische fysische verschijnselen in te vinden zijn, " legt Vladimir Strocov uit, een PSI-onderzoeker en co-auteur van de huidige studie.

En dat was het geval met het aluminium-platina-kristal dat de onderzoekers onderzochten. Met behulp van SLS-röntgen- en foto-elektronspectroscopie, ze maakten de elektronische eigenschappen in het kristal zichtbaar. In aanvulling, complementaire metingen van hetzelfde kristal bij de Diamond Light Source in Oxfordshire, Engeland, stelden hen in staat om de elektronische structuren op het oppervlak te zien.

Deze onderzoeken toonden aan dat het speciale kristal niet alleen een chiraal materiaal was, maar ook een topologische. "We noemen dit type materiaal een chiraal topologisch halfmetaal, " zegt Strocov. "Dankzij de uitstekende spectroscopische mogelijkheden van de ADRESS-bundellijn hier bij SLS, we zijn nu een van de eersten die het bestaan ​​van een dergelijk materiaal experimenteel hebben bewezen."

De wereld van donuts

Topologische materialen kwamen in de publieke belangstelling met de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2016, toen drie onderzoekers werden gehuldigd voor hun onderzoek naar topologische fasen en faseovergangen.

Topologie is een gebied van de wiskunde dat zich bezighoudt met structuren en vormen die op elkaar lijken. Bijvoorbeeld, een bal boetseerklei kan worden gevormd tot een matrijs, een bord, of een kom door alleen maar te drukken en te trekken - deze vormen zijn dus topologisch identiek. Echter, om een ​​donut of een acht te krijgen, je moet gaten in de klei maken - een voor de donut, twee gaten voor de 8.

Deze classificatie volgens het aantal gaten en verdere topologische eigenschappen is al toegepast op andere fysische eigenschappen van materialen door de wetenschappers die in 2016 de Nobelprijs kregen. bijvoorbeeld, de theorie van de zogenaamde topologische kwantumvloeistoffen werd ontwikkeld.

"Het feit dat ons kristal een topologisch materiaal is, betekent dat in figuurlijke zin, het aantal gaten in het kristal is anders dan het aantal gaten erbuiten. Daarom, bij de overgang tussen kristal en lucht, dus aan het kristaloppervlak, het aantal gaten is niet goed gedefinieerd. Wat is duidelijk, echter, is dat dit is waar het verandert, " legt Schröter uit. "We zeggen dat er een topologische faseovergang plaatsvindt aan het kristaloppervlak. Als resultaat, daar ontstaan ​​nieuwe elektronische toestanden:topologische Fermi-bogen."

Quasideeltjes binnen, Fermi bogen op het oppervlak

Het is de combinatie van deze twee fenomenen, de chiraliteit en de topologie van het kristal, dat leidt tot de ongebruikelijke elektronische eigenschappen die ook in het materiaal en op het oppervlak verschillen.

Terwijl de onderzoekers de Rarita-Schwinger-fermionen in het materiaal konden detecteren, complementaire metingen bij de Engelse synchrotron-stralingsbron Diamond Light Source onthulden andere exotische elektronische toestanden op het oppervlak van het materiaal:vier zogenaamde Fermi-bogen, die ook aanzienlijk langer zijn dan alle eerder waargenomen Fermi-bogen.

"Het is vrij duidelijk dat de Rarita-Schwinger-fermionen in het binnenste en deze speciale Fermi-bogen op het oppervlak met elkaar verbonden zijn. Beide zijn het gevolg van het feit dat het een chiraal topologisch materiaal is, ", zegt Schröter. "We zijn erg blij dat we als een van de eersten een dergelijk materiaal hebben gevonden. Het gaat niet alleen om deze twee elektronische eigenschappen:de ontdekking van topologische chirale materialen zal een heel speelveld van nieuwe exotische fenomenen openen."

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in nieuwe materialen en het exotische gedrag van elektronen, omdat sommige daarvan geschikt zouden kunnen zijn voor toepassingen in de elektronica van de toekomst. Het doel is om – bijvoorbeeld bij quantumcomputers – in de toekomst te komen tot een steeds dichtere en snellere opslag en datatransmissie en om het energieverbruik van elektronische componenten te verminderen.