Topologische materialen worden gekenmerkt door unieke elektronische en fysieke eigenschappen die worden bepaald door de onderliggende topologie van hun elektronische systemen. Wetenschappers van de Max Planck Institutes for Microstructure Physics (Halle) en voor Chemical Physics of Solids (Dresden) hebben nu ontdekt dat (TaSe ₄ ) ₂ I is het eerste materiaal waarin een ladingsdichtheidsgolf een faseovergang induceert tussen het halfmetaal naar de isolatortoestand.

Een internationaal team van wetenschappers van het Max Planck Institute for Microstructure Physics, Halle (Saale), het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden, Oxford universiteit, Chinese Wetenschapsacademie, MIT, en Princeton University heeft het eerste voorbeeld ontdekt van een door correlatie gestuurde topologische faseovergang van halfmetaal naar isolator in eenkristallen van het materiaal (TaSe ₄ ) ₂ I. De afgelopen jaren is er een toenemende belangstelling ontstaan ​​op het gebied van topologische materialen die unieke elektronische en fysische eigenschappen vertonen die zijn afgeleid van de onderliggende topologie van hun elektronische systemen. (TaSe ₄ ) ₂ I is een ongebruikelijk materiaal waarvan bekend is dat het een structurele vervorming ondergaat net onder kamertemperatuur als gevolg van een ladingsdichtheidsgolf.

Als gevolg van elektronencorrelaties wordt het elektronengas in het systeem onstabiel voor een periodieke variatie over lange afstand van de elektronenladingsdichtheid die nauw is gekoppeld aan een periodieke modulatie van de atomaire posities in de kristalstructuur. Tegelijkertijd is aangetoond dat ditzelfde materiaal een topologisch metaal is van een bepaald type, namelijk een Weyl halfmetaal. Dit type topologisch metaal heeft een elektronisch systeem dat Weyl-punten weergeeft waar lineair verspreide elektronische banden elkaar kruisen zonder een energiebandafstand te vormen. Deze Weyl wijst in (TaSe ₄ ) ₂ Ik kom in paren, die elk een tegengestelde chiraliteit hebben, en de auteurs van het artikel laten zien dat (TaSe ₄ ) ₂ I heeft 24 paren van zulke punten met een overeenkomstige enorme zogenaamde chirale lading van +16.

In de studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica, met behulp van een reeks geavanceerde experimentele sondes van de elektronische en kristalstructuur, het internationale team, wiens leden onder meer de experimentatoren Claudia Felser zijn, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen, Holger Meyerheim, een onderzoeker, en Stuart Parkin, Regisseur, aan het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica, Yulin Chen van de Universiteit van Oxford, en theoreticus Andrei Bernevig van Princeton University, toonde aan dat de topologische eigenschappen van deze verbinding nauw verbonden zijn met de ladingsdichtheidsgolf, waarvan de golfvector is afgeleid van de verbindingen tussen Weyl-punten met tegengestelde chirale lading.

"Het was een hele uitdaging, maar erg spannend om de ladingsdichtheidsgolf in dit materiaal te identificeren. We moesten zeer briljante beschikbare röntgenbronnen gebruiken, bijvoorbeeld, bij de Europese Synchrotron-stralingsfaciliteit, Grenoble, om de zeer zwakke diffractiepieksignaturen van de ladingsdichtheidsgolf te vinden, Meyerheim merkte op. Terwijl het monster wordt afgekoeld, drijven sterke elektronencorrelaties het systeem in de golftoestand van de ladingsdichtheid, wat resulteert in een overgang van een topologisch Weyl-halfmetaal naar een isolator. nieuwe natuurkunde, gerapporteerd in een eerder artikel door dezelfde groepen, verschijnt onder de overgang.

"Wie had gedacht dat we zulke geavanceerde gecorreleerde elektronenfysica zouden hebben gevonden in zo'n 1-D-materiaal, " merkt Felser op. Dit werk toont een nauw verband tussen topologie en correlaties en biedt een mogelijkheid om gecondenseerde materie-realisaties van axion-elektrodynamica te observeren - een nieuw type koppeling tussen elektrische en magnetische velden - in een regime dat voorheen ontoegankelijk was. een eerste voorbeeld, "onze berekeningen van de elektronische structuren van veel materialen maken ons zeker dat er veel meer van dergelijke systemen moeten zijn waar correlaties en topologie met elkaar verweven zijn", merkte Bernevig op en "we zijn verheugd om ze in experimenten te zoeken, " voegde Yulin toe. Door het begin van de ladingsdichtheidsgolf te manipuleren, kan men directe toegang krijgen tot de overgang van topologisch Weyl Semimetal-Axion Insulator. "Deze materialen zijn een rijke speelplaats voor potentiële toepassingen in toekomstige elektronische apparaten, een nieuw gebied van wat je "topaxtronica" zou kunnen noemen! Stuart Parkin voorspelt.