Fundamenteel onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie heeft geleid tot enorme vooruitgang in moderne elektronische mogelijkheden. transistoren, glasvezel, LED's, magnetische opslagmedia, plasmaschermen, halfgeleiders, supergeleiders - de lijst van technologieën die voortkomen uit fundamenteel onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie is duizelingwekkend. Wetenschappers die op dit gebied werkzaam zijn, blijven verrassende nieuwe fenomenen onderzoeken en ontdekken die veelbelovend zijn voor de technologische vooruitgang van morgen.

Een belangrijke onderzoekslijn op dit gebied betreft topologie - een wiskundig raamwerk voor het beschrijven van oppervlaktetoestanden die stabiel blijven, zelfs wanneer het materiaal wordt vervormd door uitrekken of draaien. De inherente stabiliteit van topologische oppervlaktetoestanden heeft implicaties voor een reeks toepassingen in de elektronica en spintronica.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van wetenschappers heeft een exotische nieuwe vorm van topologische toestand ontdekt in een grote klasse van 3D-halfmetaalkristallen, Dirac-halfmetalen genaamd. De onderzoekers ontwikkelden een uitgebreide wiskundige machinerie om de kloof te overbruggen tussen theoretische modellen met vormen van "hogere-orde" topologie (topologie die zich alleen aan de grens van een grens manifesteert) en het fysieke gedrag van elektronen in echte materialen.

Het team bestaat uit wetenschappers van Princeton University, waaronder postdoctoraal onderzoeker dr. Benjamin Wieder, Scheikunde Professor Leslie Schoop, en natuurkundeprofessor Andrei Bernevig; aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, Natuurkunde professor Barry Bradlyn; aan het Institute of Physics Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, Natuurkunde professor Zhijun Wang; aan de State University van New York in Stony Brook, Natuurkunde professor Jennifer Cano (Cano is ook verbonden aan het Flatiron Institute van de Simons Foundation); en aan de Hong Kong University of Science and Technology, Natuurkunde professor Xi Dai. De resultaten van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 31 januari 2020.

In het afgelopen decennium is Dirac- en Weyl-fermionen zijn voorspeld en experimenteel bevestigd in een aantal vastestofmaterialen, met name in kristallijn tantaalarsenide (TaAs), het eerst ontdekte topologische Weyl-fermion-halfmetaal. Verschillende onderzoekers hebben vastgesteld dat TaAs 2D-topologische oppervlaktetoestanden vertoont die bekend staan ​​​​als "Fermi-bogen". Maar soortgelijke fenomenen waargenomen in Dirac-fermionhalfmetalen zijn aan begrip ontgaan, tot nu.

Wat is een Fermi-boog? In de context van halfmetalen, het is een oppervlaktetoestand die zich gedraagt ​​als de helft van een tweedimensionaal metaal; de andere helft bevindt zich op een ander oppervlak.

Bradlyn merkt op, "Dit is niet iets dat mogelijk is in een puur 2D-systeem, en kan alleen gebeuren als een functie van de topologische aard van een kristal. In dit werk, we ontdekten dat de Fermi-bogen beperkt zijn tot de 1D-scharnieren in Dirac-halfmetalen." In eerder werk, Dai, Bernevig, en collega's hebben experimenteel aangetoond dat de 2D-oppervlakken van Weyl-halfmetalen Fermi-bogen moeten bevatten, ongeacht de details van het oppervlak, als een topologisch gevolg van de Weyl-punten (fermionen) die diep in het grootste deel van het kristal aanwezig zijn. Dit werd voor het eerst theoretisch voorspeld door Vishwanath, et al.

"Weyl-halfmetalen hebben lagen zoals uien, " merkt Dai op. "Het is opmerkelijk dat je het oppervlak van TaAs kunt blijven pellen, maar de bogen zijn er altijd."

Onderzoekers hebben ook boogachtige oppervlaktetoestanden waargenomen in Dirac-halfmetalen, maar pogingen om een ​​vergelijkbare wiskundige relatie te ontwikkelen tussen dergelijke oppervlaktetoestanden en Dirac-fermionen in het grootste deel van het materiaal zijn niet succesvol geweest:het was duidelijk dat de Dirac-oppervlaktetoestanden voortkomen uit een andere, niet-verwant mechanisme, en er werd geconcludeerd dat de oppervlaktetoestanden van Dirac niet topologisch beschermd waren.

In de huidige studie, de onderzoekers waren verrast om Dirac-fermionen tegen te komen die topologisch beschermde oppervlaktetoestanden leken te vertonen, deze conclusie tegenspreken. Werkend aan modellen van Dirac-halfmetalen die zijn afgeleid van topologische quadrupoolisolatoren - topologische systemen van hogere orde die onlangs zijn ontdekt door Bernevig in samenwerking met professor Taylor Hughes in de natuurkunde uit Illinois - ontdekten ze dat deze nieuwe klasse materialen robuuste, elektronische toestanden geleiden in 1D, of twee minder dimensies dan de bulk 3D Dirac-punten.

Aanvankelijk verward door het mechanisme waardoor deze 'scharnier'-toestanden verschenen, werkten de onderzoekers aan de ontwikkeling van een uitgebreide, exact oplosbaar model voor de gebonden toestanden van topologische quadrupolen en Dirac-halfmetalen. De onderzoekers vonden dat, in Dirac-halfmetalen, Fermi-bogen worden gegenereerd door een ander mechanisme dan de bogen in Weyl-halfmetalen.

"Naast het oplossen van het decennia-oude probleem of gecondenseerde materie Dirac-fermionen topologische oppervlaktetoestanden hebben, "Wieder merkt op, "we hebben aangetoond dat Dirac-halfmetalen een van de eerste vaste-stofmaterialen zijn die handtekeningen van topologische quadrupolen herbergen."

Bradlyn voegt toe, "In tegenstelling tot Weyl-halfmetalen, waarvan de oppervlaktetoestanden neven zijn van de oppervlakken van topologische isolatoren, we hebben aangetoond dat Dirac-halfmetalen oppervlaktetoestanden kunnen herbergen die neven zijn van de hoektoestanden van topologische isolatoren van hogere orde."

Bradlyn beschrijft de methodologie van het team:"We hebben een drieledige aanpak gevolgd om de zaken op te lossen. we hebben enkele speelgoedmodellen geconstrueerd voor systemen waarvan we verwachtten dat ze deze eigenschappen zouden hebben, geïnspireerd door eerder werk aan topologische systemen van hogere orde in 2D, en het gebruik van groepentheorie om beperkingen in drie dimensies af te dwingen. Dit werd voornamelijk gedaan door Dr. Wieder, Prof. Kano, en mezelf.

"Tweede, Dr. Wieder en ik voerden een meer abstracte theoretische analyse uit van systemen in twee dimensies, het afleiden van de voorwaarden waarvoor ze scharniertoestanden moeten vertonen, zelfs buiten speelgoedmodellen."

"Derde, we hebben een analyse uitgevoerd van bekende materialen, het combineren van de scheikunde-intuïtie van professor Leslie Schoop, onze symmetriebeperkingen, en ab initio berekeningen van professor Zhijun Wang om aan te tonen dat onze scharnierboogtoestanden zichtbaar moeten zijn in echte materialen."

Toen het stof was neergedaald, het team ontdekte dat bijna alle Dirac-semimetalen uit gecondenseerde materie in feite scharniertoestanden zouden moeten vertonen.

"Ons werk biedt een fysiek waarneembare handtekening van de topologische aard van Dirac-fermionen, die voorheen dubbelzinnig was, " merkt Kano op.

Bradlyn voegt toe, "Het is duidelijk dat tal van eerder bestudeerde Dirac-semimetalen daadwerkelijk topologische grenstoestanden hebben, als men op de juiste plaats kijkt."

Door middel van eerste-principe berekeningen, de onderzoekers hebben theoretisch het bestaan ​​​​van over het hoofd geziene scharniertoestanden aan de randen van bekende Dirac-halfmetalen aangetoond, inclusief het prototypische materiaal, cadmiumarsenide (Cd ₃ Als ₂ ).

Bernevig opmerkingen, "Met een geweldig team dat vaardigheden uit de theoretische natuurkunde combineert, eerste beginselen berekeningen, en scheikunde, we konden het verband aantonen tussen topologie van hogere orde in twee dimensies en Dirac-halfmetalen in drie dimensies, Voor de eerste keer."

De bevindingen van het team hebben implicaties voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën, onder meer in spintronica, omdat de scharniertoestanden kunnen worden omgezet in randtoestanden waarvan de voortplantingsrichting is gekoppeld aan hun spin, net als de randtoestanden van een 2D-topologische isolator. Aanvullend, nanostaafjes van topologische halfmetalen van een hogere orde zouden topologische supergeleiding op hun oppervlak kunnen realiseren wanneer ze in de buurt zijn van conventionele supergeleiders, mogelijk meerdere Majorana-fermionen realiseren, die zijn voorgesteld als ingrediënten voor het bereiken van fouttolerante kwantumberekening.