Er zijn dubbele topologische fasen ontdekt in een intrinsiek monolaagkristal, een bevinding die nieuwe en unieke regelbuigende eigenschappen in een kwantummateriaal onthult, meldde een internationaal team van wetenschappers onder leiding van natuurkundigen van Boston College onlangs in de online versie van het tijdschrift Natuur .

De ontdekking van een dubbele topologische isolator introduceert een nieuwe methode voor het creëren van topologische platte minibanden door middel van elektroneninteracties, die een veelbelovend platform bieden voor het onderzoeken van exotische kwantumfasen en elektromagnetisme, meldde het team.

"We hebben experimenteel hoogwaardige, atomair dunne monsters van TaIrTe₄ geproduceerd en overeenkomstige elektronische apparaten ontwikkeld," Boston College assistent-professor natuurkunde Qiong Ma, de hoofdauteur van het rapport. "Wat bijzonder intrigerend is, is onze ontdekking van niet slechts één, maar twee topologische isolatietoestanden, die verder gaan dan de voorspellingen van de theorie." P>

De bevindingen introduceren een nieuw effect dat het team de dubbele topologische isolator of de dubbele kwantum-spin-Hall-isolator noemt, zei Ma.

Uitzonderlijk dunne, tweedimensionale lagen van een kristallijn materiaal genaamd TaIrTe₄ , gemaakt uit tantaal, iridium en tellurium, waren de focus van het team van wetenschappers van BC, MIT, Harvard University, UCLA, Texas A&M, de Universiteit van Tennessee, de Nanyang Technological University in Singapore, de Chinese Academie van Wetenschappen en de Japanse Nationale Academie. Instituut voor Materiaalkunde.

Elke laag is minder dan 1 nanometer dik, dat is meer dan 100.000 keer dunner dan een menselijke haarlok. Deze lagen, of 'vlokken', werden zorgvuldig van een groter kristal afgepeld met behulp van een eenvoudige methode met doorzichtig plakband, een door de Nobelprijs bekroonde techniek die veel wordt gebruikt in de materiaalkunde.

"Ons onderzoek was bedoeld om te begrijpen hoe deze materialen elektriciteit geleiden", zei Ma. "Gezien de minuscule afmetingen van deze materialen hebben we geavanceerde nanofabricagetechnieken gebruikt, waaronder fotolithografie en elektronenbundellithografie, om elektrische contacten van nanoformaat tot stand te brengen."

Ma zei dat het primaire doel van het project was om de theoretische voorspelling te testen die de dunste TaIrTe₄ suggereert De laag fungeert als een tweedimensionale topologische isolator – ook bekend als een kwantum-spin-Hall-isolator – een nieuw materiaal waarvan de binnenkant isolerend is en elektriciteit langs de grenzen ervan stroomt zonder enig energieverlies. Deze unieke combinatie maakt deze materialen tot een focus van onderzoekers die toekomstige generaties energiezuinige elektronische apparaten proberen te ontwikkelen.

Door manipulatie van specifieke parameters, ook wel poortspanningen genoemd, vond het team TaIrTe₄ 's overgang tussen de twee verschillende topologische toestanden, zei Ma. In beide gevallen vertoont het materiaal binnenin geen elektrische geleidbaarheid, terwijl de grenzen geleidend blijven. Door middel van systematisch experimenteel en theoretisch onderzoek hebben we vastgesteld dat deze twee topologische toestanden voortkomen uit een ongelijksoortige oorsprong.

De bevindingen, die de theoretische voorspellingen overtroffen, verrasten de wetenschappers.

"Normaal gesproken verhoogt het toevoegen van elektronen aan een materiaal de geleidbaarheid ervan vanwege het grotere aantal ladings- of elektriciteitsdragers", zei Ma. "Aanvankelijk gedroeg ons systeem zich zoals verwacht en werd het geleidender door de toevoeging van elektronen.

"Maar voorbij een bepaald punt zorgde het toevoegen van meer elektronen er onverwacht voor dat het interieur weer isolerend werd, met alleen elektrische geleiding aan de grenzen en zonder energieverlies, wat precies weer een topologische isolatiefase is, net als op het startpunt wanneer het interieur geen elektronen heeft. Deze overgang naar een tweede topologische isolatiefase is geheel onverwacht."

Ma zei dat het toekomstige werk aan de ontdekking samenwerking omvat met groepen die bekwaam zijn in andere gespecialiseerde technieken, zoals beeldsondes op nanoschaal, om het onverwachte gedrag verder te begrijpen.

"We zullen ons ook concentreren op het verfijnen van de kwaliteit van ons materiaal om de toch al indrukwekkende dissipatieloze topologische geleiding te verbeteren", zei Ma. "Bovendien zijn we van plan heterostructuren te bouwen op basis van dit nieuwe materiaal om nog intrigerend fysiek gedrag te ontsluiten."

Aan het Boston College werkte Ma samen met de hoogleraren natuurkunde Kenneth Burch en Ziqiang Wang; personeel van de Universitaire Clean Room; BC postdocs Jian Tang, Zumeng Huang en Zhe Sun; afgestudeerde studenten Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich en Yiping Wang; en Zihan Wang, een gastonderzoeker.

Meer informatie: Jian Tang et al., Dual quantum spin Hall-isolator door op dichtheid afgestemde correlaties in TaIrTe₄ , Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Boston College