Onderzoekers van de Cluster of Excellence ct.qmat hebben nu een experimentele techniek ontwikkeld die systematisch tweedimensionale topologische materialen identificeert door middel van een snelle test. Deze doorbraak zou de vooruitgang van deze bloeiende klasse materialen kunnen helpen versnellen.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

In 2007 leverde professor Laurens W. Molenkamp, ​​een van de oprichters van de Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter – het eerste experimentele bewijs van topologische isolatoren, een nieuwe klasse materialen. Deze materialen vallen op omdat ze, hoewel hun binnenkant zich als een elektrische isolator gedraagt, zonder enige weerstand elektronen op hun oppervlak geleiden.

Sinds die baanbrekende ontdekking is de mondiale belangstelling voor deze materialen enorm toegenomen. Dit wordt gedreven door hun cruciale rol in een potentiële materialenrevolutie en hun veelbelovende toepassingen in kwantumtechnologieën, zoals de ontwikkeling van ‘koude chips’ die krachtig en energie-efficiënt zijn en geen afvalwarmte genereren.

"Momenteel brengt het experimenteel detecteren van topologische isolatoren zeer complex onderzoek met zich mee. Het vereist een groot team en een aanzienlijke hoeveelheid tijd om een ​​monster van het materiaal voor te bereiden. Bovendien is succesvolle detectie nooit verzekerd", merkt ct.qmat's Würzburg-woordvoerder professor Ralph Claessen op.

Snelle test voor de materialenrevolutie

Maar nu heeft een ct.qmat-onderzoeksteam in Würzburg een systematische methode bedacht om tweedimensionale topologische kwantummaterialen in recordtijd te identificeren met behulp van een veel eenvoudigere meettechniek. "In wezen heb je, naast een veelbelovend materiaalmonster, alleen maar speciale röntgenfoto's nodig", legt Dr. Simon Moser uit, projectleider van JMU Würzburg.

"De benodigde lichtdeeltjes moeten hoogfrequent en circulair gepolariseerd zijn, wat betekent dat ze een impulsmoment bezitten. Dit kan worden bereikt met behulp van elke synchrotronlichtbron.

"Onze monsters werden bijvoorbeeld bestraald in de Elettra Sincrotrone in Triëst en bij de Diamond Light Source, de Britse nationale synchrotron-wetenschappelijke faciliteit op de Harwell Science and Innovation Campus in Oxfordshire."

Wat eenvoudig klinkt, is eigenlijk een belangrijke doorbraak in het onderzoek naar topologische kwantummaterialen. "Als je een slot bij een synchrotron veiligstelt, kun je binnen ongeveer een week bepalen of een materiaal een topologische isolator is. Met de traditionele methode is hiervoor minimaal een proefschrift nodig", merkt Moser op.

Succesvol succes met dichroïsche foto-emissie

De essentie van de nieuwe snelle testmethode ligt in dichroïsche foto-emissie. Het materiaalmonster wordt meerdere keren blootgesteld aan hoogfrequent licht met variërende polarisatie. In eerste instantie komen alleen elektronen vrij die bijvoorbeeld met de klok mee roteren uit het materiaal. Vervolgens komen alleen de elektronen vrij die tegen de klok in draaien.

Het detecteren van de verschillende rotatierichtingen van elektronen met behulp van dichroïsche foto-emissie en zo hun topologie blootleggen is geen nieuw idee. In 2023 gebruikte een ander ct.qmat-team uit Würzburg deze methode voor het eerst om de topologie van een kagome-metaal te analyseren.

"Ze gebruikten circulaire foto-emissie om het kagome-metaal te onderzoeken. We concentreerden ons op de methodologie en ontwikkelden een soort recept dat nu altijd werkt, en niet alleen maar door toeval", zegt Moser, die de nieuwe aanpak van zijn team uitlegt. "Onze snelle test maakt systematisch de topologie van de elektronen zichtbaar."

Omdat de onderzoekers al lang ervaring hebben met het onderzoeken van het tweedimensionale kwantummateriaal indeene, hebben ze dit materiaal ook gebruikt om de snelle testmethode te ontwikkelen. Bovendien passen ze het principe al toe op andere materialen. Bij een recent experiment werd een bismutheenmonster bestraald, en de gegevens zullen binnenkort worden geanalyseerd.