Wetenschap
Natuurkundigen tonen pariteitsafwijkingen aan in een topologische isolator
Experimentele en theoretische natuurkundigen van het Würzburg Instituut voor Topologische Isolatoren hebben een inspringend kwantum Hall-effect waargenomen in een kwiktelluride-apparaat en hebben dit geïdentificeerd als een teken van pariteitsafwijking.
Topologische isolatoren zijn materialen die elektriciteit kunnen geleiden, maar alleen op hun oppervlak of randen. Er stroomt geen stroom in. Ze zijn wereldwijd het onderwerp van intensief onderzoek omdat ze unieke elektronische eigenschappen hebben die bijvoorbeeld de efficiëntie van kwantumcomputers kunnen verbeteren en kunnen worden gebruikt voor andere technologieën zoals encryptie en de veilige overdracht van gegevens.
Onderzoekers van het Institute for Topological Insulators en het Institute for Theoretical Physics and Astronomy van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) presenteren nu een ongebruikelijk quantum Hall-effect dat werd waargenomen op een microscopisch apparaat gemaakt van het topologische isolatiemateriaal kwiktelluride (HgTe). . Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science .
Duidelijke experimentele observatie
In het kwiktelluride-apparaat gedragen elektronen aan de boven- en onderkant zich als relativistische Dirac-deeltjes. Zoals voorspeld, maar niet experimenteel geverifieerd door de deeltjesfysica, zouden Dirac-deeltjes onderworpen moeten zijn aan de zogenaamde pariteitsanomalie. Bij experimenten in vaste toestand leidt de pariteitsafwijking tot een effect dat spectrale asymmetrie wordt genoemd en dat kan worden gemeten als een ongebruikelijke verandering in de elektrische weerstand.
“Er wordt voorspeld dat de pariteitsafwijking al sinds de jaren tachtig voorkomt in vastestofmaterialen. Een beroemd theoretisch voorstel is het model voorgesteld door Haldane (Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2016). We hebben een ander gevolg van de pariteitsafwijking geïdentificeerd, namelijk de eerste een die experimenteel moet worden geverifieerd", zegt professor Ewelina Hankiewicz.
Het effect geldt niet alleen voor kwiktelluride
De JMU-natuurkundigen hebben deze tweedimensionale Dirac-fysica gerealiseerd op een enkel oppervlak van de driedimensionale topologische isolator. "We observeren een onconventioneel inspringend kwantum-Hall-effect dat direct verband kan houden met het optreden van spectrale asymmetrie in een enkele topologische oppervlaktetoestand. Het effect is generiek voor elke topologische isolator, en niet specifiek voor alleen kwiktelluride. De universaliteit van het resultaat dat maakt het zo spannend”, zegt dr. Wouter Beugeling.
Om deze nieuwe bevindingen te realiseren moesten twee uitdagingen worden overwonnen. Ten eerste moest de signatuur van spectrale asymmetrie worden geïdentificeerd tussen de andere kenmerken van de gemeten elektrische weerstand. Ten tweede moest het apparaat zo worden bestuurd dat de effecten van de twee oppervlakken elkaar niet opheffen.
Een hoog niveau van controle maakt verdere verkenningen mogelijk
"Deze observatie laat zien dat het hoge niveau van controle dat we hebben in dit apparaat ons in staat stelt veel interessantere aspecten van de topologische isolatorfysica te onderzoeken dan voorheen", zegt professor Laurens Molenkamp.
Een sleutelfactor bij het bereiken van de experimentele nauwkeurigheid die voor deze waarneming vereist was, was de hoge kwaliteit van het HgTe-materiaal, dat werd geproduceerd in de moleculaire bundelepitaxiefaciliteit van het Würzburg Institute of Physics. Moleculaire bundelepitaxie (MBE) is een techniek voor het produceren van flinterdunne materiaallagen met op maat gemaakte elektronische, optische en magnetische eigenschappen. Met MBE kunnen laagstructuren nauwkeurig atoomlaag voor atoomlaag worden opgebouwd.