Elektronen racen langs het oppervlak van bepaalde ongebruikelijke kristallijne materialen, behalve dat ze dat soms niet doen. Twee nieuwe studies van Princeton-onderzoekers en hun medewerkers verklaren de bron van het verrassende gedrag en brengen een koers uit voor het herstellen van de geleidbaarheid in deze opmerkelijke kristallen, geprezen vanwege hun potentiële gebruik in toekomstige technologieën, waaronder kwantumcomputers.

De onderzoeken zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

De afgelopen 15 jaar, een klasse van materialen die bekend staat als topologische isolatoren heeft de zoektocht naar de materialen van de toekomst gedomineerd. Deze kristallen hebben een ongewone eigenschap:hun interieur is isolatoren - waar elektronen niet kunnen stromen - maar hun oppervlakken zijn perfecte geleiders, waar elektronen zonder weerstand stromen.

Dat was het beeld tot de ontdekking twee jaar geleden dat sommige topologische materialen eigenlijk geen stroom op hun oppervlak kunnen geleiden, een fenomeen dat de naam 'fragiele topologie' verdiende.

"Breekbare topologie is een vreemd beest:er wordt nu voorspeld dat het in honderden materialen bestaat, " zei B. Andrei Bernevig, een professor in de natuurkunde aan Princeton en co-auteur van beide artikelen. "Het is alsof het gebruikelijke principe waarop we hebben vertrouwd om experimenteel een topologische toestand te bepalen, instort."

Om grip te krijgen op hoe fragiele staten ontstaan, de onderzoekers wendden zich tot twee bronnen:wiskundige vergelijkingen en 3D-printers. Met Luis Elcoro aan de Universiteit van Baskenland, Bernevig en Princeton, postdoctoraal onderzoeker Zhi-Da Song, construeerden een wiskundige theorie om uit te leggen wat er in de materialen gebeurt.

Volgende, Sebastian Huber en zijn team bij ETH Zürich, in samenwerking met onderzoekers van Princeton, Weizmann Instituut voor Wetenschap in Israël, Zuid-Chinese Universiteit voor Technologie, en de Wuhan-universiteit, testte de theorie door een levensgroot topologisch materiaal te bouwen van 3D-geprint plastic.

Topologische materialen ontlenen hun naam aan de wiskunde die verklaart hoe vormen zoals donuts en koffiekopjes aan elkaar gerelateerd zijn (ze hebben allebei één gat). Dezelfde principes kunnen verklaren hoe elektronen van atoom naar atoom springen op het oppervlak van de ongeveer 20, 000 of zo topologische materialen geïdentificeerd tot nu toe. De theoretische onderbouwing van topologische materialen leverde in 2016 een Nobelprijs voor natuurkunde op voor F. Duncan Haldane, Princeton's Sherman Fairchild University hoogleraar natuurkunde.

Wat deze kristallen zo interessant maakt voor wetenschappers, zijn hun paradoxale elektronische eigenschappen. Het binnenste van het kristal kan geen stroom geleiden - het is een isolator. Maar snijd het kristal doormidden, en de elektronen zullen zonder enige weerstand over de nieuw onthulde oppervlakken scheren, beschermd door hun topologische aard.

De verklaring ligt in de verbinding tussen de elektronen aan de oppervlakte en die in het binnenste, of massa. Elektronen kunnen niet worden gezien als individuele deeltjes, maar als golven die zich verspreiden als rimpelingen van water uit een kiezelsteen die in een vijver wordt gegooid. In deze kwantummechanische visie, de locatie van elk elektron wordt beschreven door een spreidende golf die een kwantumgolffunctie wordt genoemd. In een topologisch materiaal, de kwantumgolffunctie van een elektron in de bulk verspreidt zich naar de rand van het kristal, of oppervlaktegrens. Deze overeenkomst tussen de bulk en de grens leidt tot een perfect geleidende oppervlaktetoestand.

Dit principe van "bulk-boundary correspondentie" om topologische oppervlaktegeleiding te verklaren, werd tot twee jaar geleden algemeen aanvaard, toen een handvol wetenschappelijke artikelen het bestaan ​​van fragiele topologie onthulden. In tegenstelling tot de gebruikelijke topologische toestanden, fragiele topologische toestanden hebben geen geleidende oppervlaktetoestanden.

"Het gebruikelijke bulk-boundary-correspondentieprincipe valt uiteen, ' zei Bernevig. Maar hoe bleef een raadsel.

In de eerste van de twee Wetenschap papieren, Bernevig, Song en Elcoro geven een theoretische verklaring voor een nieuwe bulk-grenscorrespondentie om fragiele topologie te verklaren. De medewerkers laten zien dat de elektronengolffunctie van fragiele topologie zich alleen onder specifieke omstandigheden naar het oppervlak uitstrekt, die de onderzoekers een verwrongen bulk-grens-correspondentie noemen.

Het team ontdekte verder dat de gedraaide bulk-grens-correspondentie kan worden afgestemd zodat de geleidende oppervlaktetoestanden weer verschijnen. "Op basis van de golffunctievormen, we hebben een reeks mechanismen ontworpen om interferentie op de grens te introduceren op een manier dat de grenstoestand noodzakelijkerwijs perfect geleidend wordt, " zei Luis Elcoro, een professor aan de Universiteit van Baskenland.

Het vinden van nieuwe overkoepelende principes is iets dat natuurkundigen altijd intrigeert, maar dit nieuwe soort bulk-boundary-correspondentie kan ook enige praktische waarde hebben, volgens de onderzoekers. "De verwrongen bulk-grens-correspondentie van fragiele topologie biedt een potentiële procedure om de oppervlaktetoestand te beheersen, die nuttig kunnen zijn in mechanische, elektronische en optische toepassingen, ' zei Lied.

Maar bewijzen dat de theorie werkt, was vrijwel onmogelijk, aangezien men zich op oneindig kleine atomaire schaal met de grenzen zou moeten bemoeien. Dus wendde het team zich tot medewerkers om een ​​levensgroot model te bouwen waarmee ze hun ideeën konden verkennen.

In de seconde Wetenschap papier, Sebastian Huber en zijn team bij ETH Zürich bouwden een grootschalig nep-topologisch kristal uit plastic met behulp van 3D-geprinte onderdelen. Ze gebruikten geluidsgolven om de elektronengolffuncties weer te geven. Ze plaatsten barrières om het pad van de geluidsgolven te blokkeren, wat analoog is aan het snijden van het kristal om de geleidende oppervlakken te onthullen. Op deze manier, de onderzoekers bootsten de verwrongen randvoorwaarde na, en toonde toen aan dat door het te manipuleren, ze konden aantonen dat een vrij geleidende geluidsgolf zich over het oppervlak voortplant.

"Dit was een heel links idee en realisatie, Huber zei. "We kunnen nu aantonen dat vrijwel alle topologische toestanden die in onze kunstmatige systemen zijn gerealiseerd, kwetsbaar zijn, en niet stabiel zoals in het verleden werd gedacht. Dit werk geeft die bevestiging, maar veel meer, het introduceert een nieuw overkoepelend principe."