In topologische materialen, elektronen kunnen gedrag vertonen dat fundamenteel verschilt van dat in 'conventionele' materie, en de omvang van veel van dergelijke 'exotische' verschijnselen is recht evenredig met een entiteit die bekend staat als het Chern-getal. Nieuwe experimenten stellen voor het eerst vast dat het theoretisch voorspelde maximale Chern-getal kan worden bereikt - en gecontroleerd - in een echt materiaal.

Toen de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen de Nobelprijs voor Natuurkunde 2016 toekende aan David Thouless, Duncan Haldane en Michael Kosterlitz, ze prezen het trio omdat het 'de deur had geopend naar een onbekende wereld waar materie vreemde toestanden kan aannemen'. Verre van een rariteit, de ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie, waaraan de drie theoretici zo cruciaal hebben bijgedragen, is uitgegroeid tot een van de meest actieve onderzoeksgebieden in de fysica van de gecondenseerde materie van vandaag. Topologische materialen houden de belofte in, bijvoorbeeld, leiden tot nieuwe soorten elektronische componenten en supergeleiders, en ze herbergen diepe verbindingen tussen gebieden van natuurkunde en wiskunde.

Terwijl nieuwe fenomenen routinematig worden ontdekt, er zijn nog fundamentele aspecten die nog moeten worden geregeld. Een daarvan is hoe 'sterk' topologische fenomenen kunnen zijn in een echt materiaal. Die vraag beantwoorden, een internationaal team van onderzoekers onder leiding van PSI-postdoctoraal onderzoeker Niels Schröter biedt nu een belangrijke benchmark. Inschrijven Wetenschap , ze rapporteren experimenten waarin ze hebben waargenomen dat in het topologische halfmetaal palladium gallium (PdGa) een van de meest voorkomende classificaties van topologische verschijnselen, het Chern-nummer, kan de maximale waarde bereiken die is toegestaan ​​in een metallisch kristal. Dat dit in een echt materiaal mogelijk is, is nog nooit eerder aangetoond. Bovendien, het team heeft manieren gevonden om het teken van het Chern-nummer te controleren, die nieuwe mogelijkheden kunnen bieden om te verkennen, en exploiteren, topologische verschijnselen.

Maximaal ontwikkeld

In theoretische werken was voorspeld dat in topologische halfmetalen het Chern-getal een magnitude van vier niet kan overschrijden. Aangezien kandidaatsystemen fenomenen vertonen met zulke maximale Chern-getallen, chirale kristallen werden voorgesteld. Dit zijn materialen waarvan de roosterstructuren een goed gedefinieerde handigheid hebben, in die zin dat ze door geen enkele combinatie van rotaties en translaties in hun spiegelbeeld kunnen worden omgezet. Er zijn verschillende kandidaat-structuren bestudeerd. Een sluitende experimentele waarneming van een Chern-getal van plus of min vier, echter, ongrijpbaar gebleven. De eerdere inspanningen werden in het bijzonder gehinderd door twee factoren. Eerst, een voorwaarde voor het realiseren van een maximaal Chern-getal is de aanwezigheid van spin-baankoppeling, en in ieder geval in sommige van de tot nu toe bestudeerde materialen, die koppeling is relatief laag, waardoor het moeilijk is om de splitsingen van belang op te lossen. Tweede, het voorbereiden van schone en vlakke oppervlakken van relevante kristallen was een grote uitdaging, en als gevolg daarvan hadden spectroscopische handtekeningen de neiging om uitgewassen te worden.

Schröter et al. hebben beide beperkingen overwonnen door met PdGa-kristallen te werken. Het materiaal vertoont een sterke spin-baankoppeling, en gevestigde methoden bestaan ​​voor het produceren van smetteloze oppervlakken. In aanvulling, bij de Advanced Resonant Spectroscopies (ADRES) bundellijn van de Zwitserse lichtbron bij PSI, ze hadden unieke mogelijkheden tot hun beschikking voor ARPES-experimenten met hoge resolutie en dus om de voorspelde spectroscopische patronen op te lossen. In combinatie met verdere metingen bij de Diamond Light Source (VK) en met speciale ab initio berekeningen, deze gegevens onthulden harde en snelle handtekeningen in de elektronische structuur van PdGa die er geen twijfel over lieten bestaan ​​dat het maximale Chern-getal is gerealiseerd.

Een hand op het Chern-nummer

Het team ging nog een stap verder, voorbij de waarneming van een maximaal Chern-getal. Ze toonden aan dat de chirale aard van de PdGa-kristallen een mogelijkheid biedt om ook het teken van dat getal te controleren. Om een ​​dergelijke controle aan te tonen, ze kweekten monsters die links- of rechtshandig waren (zie de afbeelding). Toen ze naar de elektronische structuren van de twee enantiomeren keken, ze ontdekten dat de chiraliteit van de kristallen wordt weerspiegeld in de chiraliteit van de elektronische golffunctie. Bij elkaar genomen, dit betekent dat in chirale halfmetalen de handigheid, die kan worden bepaald tijdens kristalgroei, kan worden gebruikt om topologische fenomenen te beheersen die voortkomen uit het gedrag van de elektronen in het materiaal. Dit soort controle opent een schat aan nieuwe experimenten. Bijvoorbeeld, nieuwe effecten kunnen worden verwacht op het grensvlak tussen verschillende enantiomeren, een met Chern nummer +4 en de andere met -4. En er zijn reële vooruitzichten voor toepassingen, te. Chirale topologische halfmetalen kunnen fascinerende fenomenen herbergen, zoals gekwantiseerde fotostromen. Intrigerend, PdGa staat bekend om zijn katalytische eigenschappen, de vraag naar de rol van topologische fenomenen in dergelijke processen uitnodigend.

Eindelijk, de bevindingen die nu voor PdGa zijn verkregen, komen voort uit elektronische bandeigenschappen die worden gedeeld door veel andere chirale verbindingen - wat betekent dat de hoek van de "onbekende wereld waar materie vreemde toestanden kan aannemen" waarin Schröter en collega's zich nu hebben gewaagd waarschijnlijk veel zal hebben meer te bieden.