Wetenschap
Natuurkundigen ontdekken een nieuwe kwantumtoestand in een elementaire vaste stof
Natuurkundigen hebben een nieuw kwantumeffect waargenomen dat 'hybride topologie' wordt genoemd in een kristallijn materiaal. Deze bevinding opent een nieuw scala aan mogelijkheden voor de ontwikkeling van efficiënte materialen en technologieën voor de volgende generatie kwantumwetenschap en -techniek.
De bevinding, gepubliceerd in Nature , kwam toen wetenschappers van Princeton ontdekten dat een elementair vast kristal gemaakt van arseenatomen (As) een nooit eerder waargenomen vorm van topologisch kwantumgedrag herbergt. Ze konden deze nieuwe kwantumtoestand verkennen en in beeld brengen met behulp van een scanning tunneling microscoop (STM) en foto-emissiespectroscopie, een techniek die wordt gebruikt om de relatieve energie van elektronen in moleculen en atomen te bepalen.
Deze toestand combineert, of 'hybridiseert', twee vormen van topologisch kwantumgedrag:randtoestanden en oppervlaktetoestanden, die twee soorten tweedimensionale kwantumelektronensystemen zijn. Deze zijn in eerdere experimenten waargenomen, maar nooit tegelijkertijd in hetzelfde materiaal waar ze zich vermengen om een nieuwe toestand van materie te vormen.
"Deze bevinding was volkomen onverwacht", zegt M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, die het onderzoek leidde. "Niemand voorspelde het in theorie voordat het werd waargenomen."
De afgelopen jaren heeft de studie van topologische toestanden van materie aanzienlijke aandacht getrokken onder natuurkundigen en ingenieurs en is momenteel het middelpunt van veel internationale belangstelling en onderzoek. Dit studiegebied combineert kwantumfysica met topologie:een tak van de theoretische wiskunde die geometrische eigenschappen onderzoekt die kunnen worden vervormd maar niet intrinsiek kunnen worden veranderd.
Al meer dan tien jaar gebruiken wetenschappers op bismut (Bi) gebaseerde topologische isolatoren om exotische kwantumeffecten in bulkgoederen aan te tonen en te onderzoeken, voornamelijk door samengestelde materialen te vervaardigen, zoals bijvoorbeeld het mengen van Bi met selenium (Se). Dit experiment is echter de eerste keer dat topologische effecten zijn ontdekt in kristallen gemaakt van het element As.
"Het zoeken en ontdekken van nieuwe topologische eigenschappen van materie is naar voren gekomen als een van de meest gewilde schatten in de moderne natuurkunde, zowel vanuit fundamenteel natuurkundig oogpunt als voor het vinden van potentiële toepassingen in de kwantumwetenschap en -techniek van de volgende generatie," zei Hassan. "De ontdekking van deze nieuwe topologische toestand in een elementaire vaste stof werd mogelijk gemaakt door meerdere innovatieve experimentele ontwikkelingen en instrumenten in ons laboratorium in Princeton."
Een elementaire vaste stof dient als een experimenteel platform van onschatbare waarde voor het testen van verschillende concepten van topologie. Tot nu toe was bismut het enige element dat een rijk scala aan topologie herbergt, wat heeft geleid tot twintig jaar intensieve onderzoeksactiviteiten. Dit wordt gedeeltelijk toegeschreven aan de zuiverheid van het materiaal en het gemak van synthese. De huidige ontdekking van nog rijkere topologische verschijnselen in arseen zal echter potentieel de weg vrijmaken voor nieuwe en duurzame onderzoeksrichtingen.
"Voor de eerste keer laten we zien dat verschillende topologische ordes, net als verschillende gecorreleerde verschijnselen, ook kunnen interageren en aanleiding kunnen geven tot nieuwe en intrigerende kwantumfenomenen", aldus Hasan.
Een topologisch materiaal is de belangrijkste component die wordt gebruikt om de mysteries van de kwantumtopologie te onderzoeken. Dit apparaat fungeert als isolator aan de binnenkant, wat betekent dat de elektronen binnenin niet vrij kunnen bewegen en daarom geen elektriciteit geleiden.
De elektronen aan de randen van het apparaat kunnen echter vrij bewegen, wat betekent dat ze geleidend zijn. Bovendien worden de elektronen die langs de randen stromen, vanwege de bijzondere eigenschappen van de topologie, niet gehinderd door defecten of vervormingen. Dit type apparaat heeft niet alleen het potentieel om de technologie te verbeteren, maar ook om een beter begrip van de materie zelf te genereren door kwantumelektronische eigenschappen te onderzoeken.
Hasan merkte op dat er veel belangstelling is voor het gebruik van topologische materialen voor praktische toepassingen. Maar voordat dit kan worden gerealiseerd, moeten er twee belangrijke stappen worden gezet. Ten eerste moeten kwantumtopologische effecten zich manifesteren bij hogere temperaturen. Ten tweede moeten er eenvoudige en elementaire materiaalsystemen (zoals silicium voor conventionele elektronica) worden gevonden die topologische verschijnselen kunnen herbergen.
"In onze laboratoria hebben we inspanningen in beide richtingen:we zijn op zoek naar eenvoudigere materiaalsystemen met gemakkelijke fabricage waarbij essentiële topologische effecten kunnen worden gevonden", zegt Hasan. "We zoeken ook hoe deze effecten kunnen overleven bij kamertemperatuur."
Achtergrond van het experiment
De wortels van de ontdekking liggen in de werking van het quantum Hall-effect – een vorm van topologisch effect die het onderwerp was van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1985. Sindsdien zijn topologische fasen bestudeerd en zijn er veel nieuwe klassen van kwantummaterialen met topologische eigenschappen bestudeerd. Er zijn elektronische structuren gevonden. Met name Daniel Tsui, emeritus hoogleraar elektrotechniek van Arthur Legrand Doty aan Princeton, won in 1998 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn ontdekking van het fractionele quantum Hall-effect.
Op dezelfde manier won F. Duncan Haldane, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan Princeton, in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor theoretische ontdekkingen van topologische fase-overgangen en een soort tweedimensionale (2D) topologische isolator. Daaropvolgende theoretische ontwikkelingen lieten zien dat topologische isolatoren de vorm kunnen aannemen van twee kopieën van het model van Haldane, gebaseerd op de spin-baaninteractie van het elektron.
Hasan en zijn onderzoeksteam zijn in de voetsporen van deze onderzoekers getreden door andere aspecten van topologische isolatoren te onderzoeken en te zoeken naar nieuwe toestanden van materie. Dit leidde hen in 2007 tot de ontdekking van de eerste voorbeelden van driedimensionale (3D) topologische isolatoren. Sindsdien zijn Hasan en zijn team tien jaar lang op zoek geweest naar een nieuwe topologische toestand in de eenvoudigste vorm die ook bij kamertemperatuur kan functioneren.
"Een geschikte atomaire chemie en structuurontwerp gekoppeld aan de theorie van de eerste principes is de cruciale stap om de speculatieve voorspelling van de topologische isolator realistisch te maken in een omgeving met hoge temperaturen", aldus Hasan.
"Er zijn honderden kwantummaterialen, en we hebben zowel intuïtie, ervaring, materiaalspecifieke berekeningen als intense experimentele inspanningen nodig om uiteindelijk het juiste materiaal voor diepgaande verkenning te vinden. En dat kostte ons een tien jaar durende reis van onderzoek naar veel bismut -gebaseerde materialen, die tot veel fundamentele ontdekkingen hebben geleid."
Het experiment
Op bismut gebaseerde materialen zijn, althans in principe, in staat om bij hoge temperaturen een topologische toestand van materie te herbergen. Deze vereisen echter de voorbereiding van complexe materialen onder ultrahoogvacuümomstandigheden, dus besloten de onderzoekers verschillende andere systemen te onderzoeken. Postdoctoraal onderzoeker Shafayat Hossain stelde een kristal voor dat gemaakt is van arseen, omdat het kan worden gekweekt in een vorm die schoner is dan veel bismutverbindingen.
Toen Hossain en Yuxiao Jiang, een afgestudeerde student in de Hasan-groep, de STM op het arseenmonster aanzetten, werden ze begroet met een dramatische observatie:grijs arseen, een vorm van arseen met een metaalachtig uiterlijk, herbergt zowel topologische oppervlaktetoestanden als randtoestanden. tegelijkertijd.
"We waren verrast. Grijs arseen zou alleen oppervlaktetoestanden hebben. Maar toen we de atomaire stapranden onderzochten, vonden we ook prachtige geleidende randmodi", zei Hossain.
"Een geïsoleerde monolaag-staprand mag geen gapless edge-modus hebben", aldus Jiang, mede-eerste auteur van het onderzoek.
Dit is wat we zien in de berekeningen van Frank Schindler, een postdoctoraal onderzoeker en theoreticus van de gecondenseerde materie aan het Imperial College London in het Verenigd Koninkrijk, en Rajibul Islam, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Alabama in Birmingham, Alabama. Beiden zijn co-eerste auteurs van het artikel.
"Zodra een rand bovenop het bulkmonster wordt geplaatst, hybridiseren de oppervlaktetoestanden met de gapped-toestanden aan de rand en vormen ze een gapless-staat", aldus Schindler.
"Dit is de eerste keer dat we een dergelijke hybridisatie hebben gezien", voegde hij eraan toe.
Fysisch gezien wordt een dergelijke gapless toestand op de staprand niet verwacht voor sterke of hogere topologische isolatoren afzonderlijk, maar alleen voor hybride materialen waarin beide soorten kwantumtopologie aanwezig zijn. Deze gapless toestand is ook anders dan oppervlakte- of scharniertoestanden in respectievelijk sterke en hogere orde topologische isolatoren. Dit betekende dat de experimentele observatie door het Princeton-team onmiddellijk een nooit eerder waargenomen type topologische toestand aangaf.
David Hsieh, voorzitter van de afdeling Natuurkunde bij Caltech en een onderzoeker die niet bij het onderzoek betrokken was, wees op de innovatieve conclusies van het onderzoek.
"Normaal gesproken beschouwen we de bulkbandstructuur van een materiaal in een van de verschillende verschillende topologische klassen, elk gebonden aan een specifiek type grenstoestand", zei Hsieh. "Dit werk laat zien dat bepaalde materialen tegelijkertijd in twee klassen kunnen vallen. Het meest interessante is dat de grenstoestanden die uit deze twee topologieën voortkomen, kunnen interageren en reconstrueren tot een nieuwe kwantumtoestand die meer is dan alleen een superpositie van zijn delen."
De onderzoekers hebben de metingen met scanning-tunnelingmicroscopie verder onderbouwd met systematische hoge-resolutie foto-emissiespectroscopie met hoge resolutie.
"Het grijze As-monster is erg schoon en we hebben duidelijke handtekeningen gevonden van een topologische oppervlaktetoestand", zegt Zi-Jia Cheng, een afgestudeerde student in de Hasan-groep en een co-eerste auteur van het artikel die enkele van de foto-emissiemetingen uitvoerde. .
De combinatie van meerdere experimentele technieken stelde de onderzoekers in staat de unieke bulk-oppervlak-rand correspondentie die verband houdt met de hybride topologische toestand te onderzoeken en de experimentele bevindingen te bevestigen.
Implicaties van de bevindingen
De impact van deze ontdekking is tweeledig. De observatie van de gecombineerde topologische randmodus en de oppervlaktetoestand maakt de weg vrij voor het ontwikkelen van nieuwe topologische elektronentransportkanalen. Dit kan het ontwerpen van nieuwe apparaten voor kwantuminformatiewetenschap of kwantumcomputers mogelijk maken.
De Princeton-onderzoekers hebben aangetoond dat de topologische randmodi alleen aanwezig zijn langs specifieke geometrische configuraties die compatibel zijn met de symmetrieën van het kristal, waardoor een pad wordt belicht voor het ontwerpen van verschillende vormen van toekomstige nano-apparaten en op spin gebaseerde elektronica.
Vanuit een breder perspectief profiteert de samenleving wanneer nieuwe materialen en eigenschappen worden ontdekt, zei Hasan. In kwantummaterialen heeft de identificatie van elementaire vaste stoffen als materiële platforms, zoals antimoon die een sterke topologie herbergt of bismut die een topologie van hogere orde herbergt, geleid tot de ontwikkeling van nieuwe materialen die enorm van voordeel zijn geweest op het gebied van topologische materialen.
"Wij stellen ons voor dat arseen, met zijn unieke topologie, kan dienen als een nieuw platform op een vergelijkbaar niveau voor de ontwikkeling van nieuwe topologische materialen en kwantumapparaten die momenteel niet toegankelijk zijn via bestaande platforms", aldus Hasan.
De Princeton-groep ontwerpt en bouwt al meer dan 15 jaar nieuwe experimenten voor de verkenning van topologische isolatiematerialen. Tussen 2005 en 2007 ontdekte het team onder leiding van Hasan bijvoorbeeld de topologische orde in een driedimensionale bismut-antimoon bulkvaste stof, een halfgeleidende legering en verwante topologische Dirac-materialen met behulp van nieuwe experimentele methoden.
Dit leidde tot de ontdekking van topologische magnetische materialen. Tussen 2014 en 2015 ontdekten en ontwikkelden ze een nieuwe klasse topologische materialen, genaamd magnetische Weyl-semimetalen.
De onderzoekers geloven dat deze bevinding de deur zal openen voor een hele reeks toekomstige onderzoeksmogelijkheden en toepassingen in kwantumtechnologieën, vooral in zogenaamde ‘groene’ technologieën.
"Ons onderzoek is een stap voorwaarts in het aantonen van het potentieel van topologische materialen voor kwantumelektronica met energiebesparende toepassingen", aldus Hasan.