Topologische materialen die bepaalde symmetrieën op atomair niveau bezitten, waaronder topologische isolatoren en topologische semi-metalen, hebben bij veel wetenschappers op het gebied van gecondenseerde materie fascinatie opgewekt vanwege hun complexe elektronische eigenschappen. Nu hebben onderzoekers in Japan aangetoond dat een normale halfgeleider door lichtbestraling kan worden omgezet in een topologisch halfmetaal. Verder lieten ze zien hoe spin-afhankelijke reacties kunnen optreden wanneer ze worden belicht met circulair gepolariseerd laserlicht. Gepubliceerd in Physical Review B , onderzoekt dit werk de mogelijkheid om topologische semi-metalen te creëren en nieuwe fysieke eigenschappen te manifesteren door lichtregeling, wat een rijke fysieke grens voor topologische eigenschappen kan openen.

De meeste gewone stoffen zijn ofwel elektrische geleiders, zoals metalen, of isolatoren, zoals plastic. Daarentegen kunnen topologische isolatoren ongebruikelijk gedrag vertonen waarbij elektrische stromen langs het oppervlak van het monster stromen, maar niet in het interieur. Dit karakteristieke gedrag is sterk verbonden met topologische eigenschappen die inherent zijn aan de elektronische toestand. Bovendien biedt een nieuwe fase, een topologisch semi-metaal genaamd, een nieuwe speelplaats voor het verkennen van de rol van topologie in gecondenseerde materie. Er wordt echter nog steeds nagedacht over de onderliggende fysica van deze systemen.

Onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba bestudeerden de dynamiek van excitaties in zinkarsenide (Zn₃ Als₂ ) wanneer bestraald met een laser met circulaire polarisatie. Zinkarsenide wordt normaal gesproken gezien als een halfgeleider met een nauwe opening, wat betekent dat elektronen niet vrij kunnen bewegen op zichzelf, maar gemakkelijk kunnen worden voortgestuwd door energie van een externe lichtbron. Onder de juiste omstandigheden kan het materiaal een speciale topologische toestand vertonen, een "Floquet-Weyl semi-metaal" genaamd, een topologisch semi-metaal gekoppeld aan licht. In dit geval kan de elektrische stroom worden gedragen in de vorm van quasideeltjes die Weyl-fermionen worden genoemd. Omdat deze quasideeltjes reizen alsof ze geen massa hebben en weerstand bieden tegen verstrooiing, kunnen Weyl-fermionen gemakkelijk door het materiaal bewegen.

"Floquet-Weyl-halfmetalen vertonen een handvol zeldzame eigenschappen die kunnen worden gebruikt in elektronische apparaten, waaronder hoge mobiliteit, titanische magnetische weerstand en spin-gepolariseerde stromen", zegt auteur professor Ken-ichi Hino. In het huidige werk toonden de onderzoekers aan dat wanneer een linkshandige circulair gepolariseerde laser met continue golf wordt afgestemd met een frequentie die bijna overeenkomt met de energiekloof in het materiaal, de spin-down-elektronen en spin-up-elektronen verschillende fasen vormen, een Weyl semi-metaal en een smalle spleet isolator. De laatste bevindt zich in de buurt van een ander topologisch semi-metaal dat nodale lijn semi-metaal wordt genoemd.

"Onze verkenning van de tijdelijke dynamiek van excitaties in zinkarsenide kan het begrip van de onderliggende fysica van deze materialen verdiepen", zegt senior auteur Runnan Zhang. Dit basisonderzoek kan ook helpen de ontwikkeling van technieken voor door licht geïnduceerde oppervlaktemagnetisatie van niet-magnetische materialen te versnellen. + Verder verkennen

Nieuwe topologische eigenschappen gevonden in "oud" materiaal van kobaltdisulfide