Topologische isolatoren (TI's) zijn bulkisolatiematerialen die niettemin metallische geleidbaarheid op hun oppervlak vertonen. Deze geleidbaarheid wordt gegarandeerd door de topologie van de bulkbandstructuur - het oppervlak vertoont deze toestanden zolang de symmetrie die de topologische index definieert hetzelfde blijft.

Bij zogenaamde sterke TI's, deze toestanden zijn beschermd en worden dus op alle oppervlakken weergegeven. Bij zwakke TI's echter, deze eigenschappen worden alleen beschermd bij oppervlakken met een bepaalde oriëntatie. Tweedimensionale TI's stapelen, dat zijn QSHI's, om een ​​driedimensionaal kristal te vormen, bijvoorbeeld, produceert over het algemeen een zwakke TI zonder beschermde toestanden aan de boven- of onderkant van het kristal:er zijn metalen oppervlaktetoestanden geërfd van de randtoestanden van de 2-D TI, maar ook een isolerend vlak dat loodrecht op de stapelrichting staat.

Recent theoretisch werk, ook uitgevoerd door MARVEL-onderzoekers, suggereerde echter dat dit misschien niet het geval is voor gestapelde, of massa, jacutingaiet. Het onderzoek suggereerde een ingewikkelder scenario:het materiaal kan zowel een topologische kristallijne isolator (TCI) als een zwakke TI zijn. In TCI's, de topologie wordt gedefinieerd door symmetrie ten opzichte van een spiegelvlak en metalen oppervlaktetoestanden kunnen worden gevonden op oppervlakken die er loodrecht op staan. Deze toestand kan in het materiaal worden verwacht vanwege de drievoudige spiegelsymmetrie. Jacutingaite handhaaft echter ook translationele symmetrie in de stapeling van de lagen, wat betekent dat het ook de eigenschappen van een zwakke TI kan hebben. Tot nu, echter, er zijn geen experimentele resultaten op de bulkbandstructuur.

Onderzoek geïnitieerd door EPFL's THEOS-lab en uitgevoerd in samenwerking met de afdeling Quantum Matter Physics van de Universiteit van Genève en andere groepen, waaronder de Diamond Light Source in het VK, heeft nu echter de allereerste synthese van een enkel kristal van jacutingaiet beschreven en het monster gebruikt om bewijs te leveren voor hun dual-topologische aard door de bulk- en oppervlakte-elektronische structuur te vergelijken die is bepaald op basis van op synchrotron gebaseerde hoek-opgeloste foto-emissie (ARPES) experimenten met DFT berekeningen. De krant, Bulk en Surface elektronische structuur van de Dual-Topology Semimetal Pt ₂ HgSe ₃ , is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het werk onthulde topologisch beschermde oppervlaktetoestanden in het natuurlijke splitsingsvlak (001) van het materiaal, onverwacht omdat het eerder een zwakke topologische fase zou moeten ondersteunen, omdat het een stapel 2D QSHI's is. Berekeningen van bepaalde topologische invarianten bevestigden de zwakke topologische isolatorfase die over het algemeen wordt gekenmerkt door gapless modes op de laterale oppervlakken, maar volledig gapped toestanden op de boven- en ondervlakken. De oppervlaktetoestanden die op het 001-oppervlak werden gevonden, werden daarom verondersteld de manifestatie te zijn van een andere topologische fase.

De onderzoekers veronderstelden dat het een indicatie zou kunnen zijn van de TCI-fase die verband houdt met de drievoudige spiegelsymmetrie van het kristal. In zo'n geval, topologisch beschermde oppervlaktetoestanden worden verwacht op kristaloppervlakken die de spiegelsymmetrie behouden en dit was het geval voor het gespleten (001) oppervlak.

Met behulp van eerste principes berekeningen, de onderzoekers waren in staat om deze oppervlaktetoestand te identificeren als de handtekening van een TCI-fase die naast de generieke WTI-fase bestaat die in dezelfde berekeningen wordt gevonden. De resultaten leveren dus bewijs voor de voorspelde dubbele topologie van Pt ₂ HgSe ₃ . Wat echter onduidelijk bleef, is het mechanisme achter de status van jacutingaite als een dubbele topologische isolator.

Dit onderwerp kwam aan de orde in theoretisch werk dat werd ontwikkeld bij EPFL's THEOS, onderzoek dat een aanvulling was op het experimentele en computationele werk dat in het andere artikel werd uitgevoerd. In het artikel Opkomende dubbele topologie in de driedimensionale Kane-Mele Pt ₂ HgSe ₃ , onderzoekers Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, en collega Marco Gibertini aan de Universiteit van Genève, voorheen van THEOS, breidde het tweedimensionale Kane-Mele (KM) -model uit dat wordt gebruikt om topologische materialen te beschrijven tot bulkjacutingaiet. Het artikel is onlangs gepubliceerd in Physical Review Research.

Ze toonden aan dat de onverwachte topologie in bulkjacutingaiet voortkomt uit een sterke hybridisatie tussen de lagen die leidt tot een 3D-generalisatie van het KM-model. Terwijl de dichtstbijzijnde lagen bijna ontkoppeld zijn, er is een grote, eigenaardige hopping-term die een sterke koppeling aangeeft tussen lagen die twee lagen uit elkaar liggen. Even en oneven lagen zijn dan min of meer onafhankelijk en kunnen afzonderlijk worden beschreven door een 3D KM-model, in de krant J3KM genoemd, die een bandinversie omvat die wordt aangedreven door deze nieuwe hopping-term. Dit resulteert in een knooplijn die wordt onderbroken door spin-baankoppeling en een niet-nul Chern-getal, dat wil zeggen, beschermde oppervlaktetoestanden in overeenstemming met TCI's. Wanneer de koppeling tussen even en oneven lagen echter wordt hersteld, het materiaal fungeert weer als een WTI.

Dit inzicht verschaft een microscopisch begrip van de opkomende dubbele topologie van het materiaal. Het J3KM-model voorspelt de aanwezigheid van oppervlaktetoestanden en knooplijnen die zijn onderbroken door spin-baaninteracties, in overeenstemming met de ARPES-metingen en eerste-principesimulaties die in het andere artikel zijn uitgevoerd. Het model is relevant voor alle andere gelaagde materialen gemaakt van gestapelde honingraatroosters en biedt een aantrekkelijke strategie om het standaardparadigma van zwakke topologische isolatoren te doorbreken.

Eindelijk, de combinatie van het experimentele bewijs, eerste-principe simulaties en theoretische modellen op 3D jacutingaite ondersteunen de eerdere voorspelling van THEOS dat 2D jacutingaite een Kane-Mele (grafeen-achtige) quantum spin Hall-isolator is.