Een team onder leiding van de Universiteit van Osaka gebruikte hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie om de ongebruikelijke geleidbaarheid van het oppervlak van samariumhexaboridekristallen te onderzoeken. Ze toonden aan dat het materiaal een naast elkaar bestaande fase van "topologische isolator" is waarin elektrische stroom langs het oppervlak kan stromen, maar niet door het grootste deel van het monster, een "Kondo-isolator, " die een overgang van metaal naar isolator ondergaat vanwege de sterke elektroncorrelatie. Dit werk, wat aantoont dat topologische isolatoren tegelijkertijd sterke elektronencorrelaties kunnen hebben, kan de ontwikkeling mogelijk maken van kwantumspin-apparaten die de magnetische spins van individuele elektronen gebruiken om de huidige computers te overtreffen.

Er bestaat al lang een debat over de elektronische structuur van het metalen oppervlak van samariumhexaboride (SmB ₆ ). SmB ₆ waarvan bekend is dat het alleen een isolator is bij lage temperaturen vanwege sterke elektronencorrelaties, het 'Kondo-effect' genoemd. In tegenstelling tot de meeste materialen, de weerstand in Kondo-isolatoren neemt zelfs toe met afnemende temperatuur. Echter, de oorsprong van de restgeleiding bij lage temperaturen is nog niet onthuld. Een populaire hypothese is dat SmB ₆ is ook een topologische isolator, die metalen elektronische toestanden op het oppervlak kan hebben. Echter, de oppervlakte elektronische structuren van SmB ₆ die tot nu toe zijn verkregen, zijn complex en moeilijk te interpreteren en daarom is deze vraag of SmB . al dan niet ₆ is inderdaad topologisch is een al lang bestaand debat. In dit werk, het team observeerde de oppervlaktetoestanden vanuit een nieuwe kristaloriëntatie en slaagde erin de oppervlaktetoestanden aanzienlijk te vereenvoudigen.

Het belangrijkste inzicht was het meten langs een bepaalde oppervlakterichting, wat voorheen moeilijk was. Om dit oppervlak te verkrijgen, moesten de onderzoekers eerst een atomair vlakke, extreem schoon oppervlak van het kristal op een zeer nauwkeurige manier. Ze bereikten dit door een enkel kristal van samariumhexaboride tot zeer hoge temperaturen te verhitten in een ultrahoogvacuümkamer. Vervolgens voerden ze hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie uit, die de elektronen bewaakt die uit het kristal worden uitgestoten wanneer ze worden blootgesteld aan intense lichtstralen. Met behulp van een ferromagnetische detector, ze waren in staat om niet alleen de snelheden van de elektronen te bepalen, maar ook als ze hun spins naar boven of naar beneden hadden gericht. "We konden aantonen dat samariumhexaboride een topologische isolator is, zonder enige onduidelijkheid, ", zegt hoofdauteur Shin-ichi Kimura. "Dit opent een nieuw onderzoeksgebied waarin sterke correlaties en topologische effecten in hetzelfde materiaal kunnen bestaan."