Een door Australië geleide studie gebruikt een scanning-tunnelmicroscoop "truc" om de elektronische structuur in Na . in kaart te brengen ₃ Bi, op zoek naar een antwoord op de extreem hoge elektronenmobiliteit van dat materiaal.

Bij het bestuderen van het topologische Dirac-halfmetaal, het team ontdekte dat uitwisselings- en correlatie-effecten cruciaal zijn voor de elektronensnelheid, en dus mobiliteit, en dus voor het gebruik van deze opwindende klasse van materialen in toekomstige ultra-lage energie-elektronica.

Daten, er is weinig bekend over de band dispersie van Na ₃ Bi in de geleidingsband (boven het Fermi-niveau), hoewel er verleidelijke aanwijzingen zijn dat de werkelijke snelheid van de elektronen veel groter is dan theoretische voorspellingen.

"We groeiden dunne films van Na ₃ Bi en onderzochten hun bandstructuur via quasideeltjesinterferentie, " zegt hoofdauteur Dr. Iolanda di Bernardo.

"Onze berekeningen onthulden dat om de extreem hoge experimentele snelheden van de ladingsdragers te begrijpen, vooral in de geleidingsband, uitwisselings- en correlatie-effecten zijn cruciaal."

Slimme trucs en verrassingen

Topologische Dirac-halfmetalen kunnen worden beschouwd als de 3D-tegenhangers van grafeen:rond het Fermi-niveau (waar de geleidingselektronen "meestal" zitten) vertonen ze dezelfde lineaire banddispersie als grafeen, wat betekent dat hun elektronen vrijwel massaloos zijn.

Dit, van nature, vertaalt zich in extreem hoge geleidbaarheid, en in dit geval komt voor in alle drie richtingen in de ruimte.

Deze lineaire banddispersie werd voorspeld voor Na ₃ Bi, maar een goede mapping van de geleidingsband voor dit materiaal ontbrak nog.

Het meten van de bandstructuur van materialen boven het Fermi-niveau is, in feite, geen triviale taak, vooral omdat elektronen deze toestanden doorgaans niet bezetten.

Een van de weinige manieren waarop dit kan worden bereikt, is door een truc te gebruiken die is gebaseerd op scanning-tunneling-spectroscopie:

"We verwerven 'toewijzingen' van de kwantumtunnelstroom tussen de punt en het monster bij verschillende vooroordelen, ", legt Iolanda uit.

De afgeleiden van deze afbeeldingen vertonen zeer typische patronen, afkomstig van de verstrooiing van de elektronen met de wanorde in het monster.

Dit verstrooiingsproces mengt elektronen die zich op dezelfde constante-energiecontouren in de reciproke ruimte bevinden, die zichtbaar wordt gemaakt door een Fourier-transformatie van de afbeeldingen te nemen.

"In ons geval, dit leverde cirkels op die overeenkomen met sneden langs een Dirac-kegelachtige dispersie." (zie afbeelding).

Met deze analysetechniek kon het team de (lineaire) banddispersie in het materiaal reconstrueren en de snelheden van de ladingsdragers extraheren, zowel in de valentie- als in de conductieband.

Maar toen deze gemeten bandspreidingen werden vergeleken met theoretische voorspellingen, er was een probleem:de gemeten snelheden voor de laagst gelegen geleidings- en valentiebanden waren significant hoger dan de theoretische voorspellingen.

Echter, het team vond een manier om de overeenkomst tussen meting en theorie aanzienlijk te verbeteren:

"We gebruikten steeds ingewikkelder modellen om ons systeem te beschrijven, en ontdekten dat naarmate we de behandeling van het uitwisselings- en correlatiepotentieel in het model verbeterden (van PBE naar GW-methoden), we konden dichter bij de experimentele waarden komen - hoewel we nog steeds enkele discrepanties zagen, ", legt Iolanda uit.

Hoewel de oorsprong van deze onverwacht sterke interacties nog steeds onduidelijk is, de nieuwe studie toont aan dat uitwisseling-correlatie-effecten waarschijnlijk aan de basis liggen van de hoge snelheid van elektronen in Na ₃ Bi.

Het begrijpen van de ultrahoge mobiliteiten van dragers in topologische Dirac-halfmetalen is een stap in de richting van de succesvolle implementatie van deze materialen in apparaten voor energiezuinige elektronica.

De studie, getiteld "Belang van interacties voor de bandstructuur van de topologische Dirac semimetal Na ₃ Bi, " werd in juli 2020 gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .