Een team van Rice University en zijn medewerkers hebben een overgang bij kamertemperatuur ontdekt tussen 1D en 2D elektrische geleidingstoestanden in topologische kristallen van bismut en jodium.

Onderzoekers ontdekten dat ze het materiaal konden wisselen, kristallijne ketens van bismutjodide (Bi ₄ l ₄ ), tussen lage en hoge geleidingstoestanden bij een overgangstemperatuur van ongeveer 80 graden Fahrenheit. Het onderzoek is deze week online beschikbaar in het tijdschrift American Physical Society Fysieke beoordeling X en werd uitgevoerd door natuurkundigen uit Rice; de Universiteit van Texas in Dallas; de Universiteit van Californië, Berkeley; Universiteit van Ohio; en andere instellingen.

Bi ₄ l ₄ is een topologische isolator, een materiaal dat aan het oppervlak of de randen geleidend is, maar niet aan de binnenkant. Het kristalrooster van Bi ₄ l ₄ ondergaat een subtiele verschuiving bij de overgangstemperatuur. De verschuiving verandert het elektronische gedrag van het materiaal, en de studie toonde deze verandering aan, of "faseovergang, " is de grens tussen 1D en 2D topologische geleidingstoestanden.

De 2D-toestand bij hoge temperatuur heeft elektrische geleiding rond vier zijden van de rechthoekige kristallen. Rijstfysici Ming Yi, Jianwei Huang en hun medewerkers ontdekten dat geleiding overging naar 1D-randen toen het materiaal onder 80 graden werd afgekoeld.

"Dit is het eerste bewijs dat suggereert dat de toestand bij lage temperatuur eigenlijk een topologische isolator van hogere orde is waar geleiding plaatsvindt op de kristalscharnieren in tegenstelling tot de oppervlakken, " zei Ji, een assistent-professor natuurkunde en astronomie en co-corresponderende auteur van de PRX-studie. "Stel je voor dat je begint in de staat met hoge temperatuur, waar u een isolerende massa en geleidende oppervlakken rond de zijkanten van het materiaal heeft. Zodra je door deze structurele vervorming gaat, de geleiding is beperkt tot de eendimensionale scharnieren waar deze zijden samenkomen."

Bij de meeste materialen, de verschillen tussen fasen, zoals vast ijs of vloeibaar water, komen voort uit verschillende organisatorische symmetrieën van hun samenstellende delen. In 1980, natuurkundigen ontdekten fasen van materie met identieke symmetrieën. Deze bleken uiteindelijk voort te komen uit topologische eigenschappen, "beschermde" kwantumtoestanden die van groeiend belang zijn voor kwantumberekening.

Yi zei dat de dimensionale verandering in elektrische geleiding gemedieerd door Bi ₄ l ₄ 's faseovergang kan mogelijk worden gebruikt voor het ontwerpen van een elektrische schakelaar die wordt bediend door temperatuurverandering.

"Deze overgang gebeurt bij kamertemperatuur, "Zei Yi. "Het is een eerste-orde faseovergang, wat betekent dat de verandering heel plotseling gebeurt. Het is een kleine verschuiving van het kristalrooster die direct van invloed is op de elektrische geleiding op de kristalgrenzen."

Huang, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker van Rice en de hoofdauteur van de studie, zei dat laboratoria over de hele wereld racen om topologische materialen te vinden en te catalogiseren, en natuurkundigen zijn pas onlangs begonnen ze in subfamilies te classificeren.

terwijl Bi ₄ l ₄ 's combinatie van eigenschappen is uniek, Huang zei dat de ontdekking van deze week zou kunnen helpen bij het zoeken naar vergelijkbare topologische materialen.

"Onze bevindingen komen overeen met recente theoretische voorspellingen van topologische isolatoren van hogere orde die buiten het bestek van de gevestigde databases van topologische materialen vallen, " hij zei.

Yi's lab en medewerkers in het lab van UC Berkeley co-corresponderende auteur Robert Birgeneau gebruikten een experimentele techniek genaamd hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) om Bi in kaart te brengen. ₄ l ₄ elektronische bandfuncties.

"ARPES is de beste sonde om naar topologische materialen te kijken, omdat er een zeer duidelijke signatuur is die aangeeft of materialen topologisch zijn of niet, " ze zei.

Om onderscheid te maken tussen de 1D- en 2D-geleidingstoestanden, haar team moest "naar verschillende oppervlakken kijken, en dat is buitengewoon moeilijk om te doen, ' zei Ji.

Yi zei dat kritische bijdragen kwamen van UT Dallas co-corresponderende auteurs Fan Zhang, die theoretische begeleiding en voorspelling gaf, en Bing Lv, wiens lab Bi . heeft gesynthetiseerd ₄ l ₄ kristallen die wel een centimeter lang waren, een millimeter breed en honderden micron dik. Door de grootte van de kristallen kon Huang cruciale ARPES-metingen uitvoeren aan zowel de bovenkant als de zijkanten van de materialen.