Net zoals een boek niet kan worden beoordeeld aan de hand van de omslag, kan een materiaal niet altijd worden beoordeeld aan de hand van het oppervlak. Maar voor een ongrijpbare, veronderstelde klasse van materialen hebben natuurkundigen nu aangetoond dat het oppervlak waarvan voorheen werd gedacht dat het 'zonder kenmerken' was, een onmiskenbare signatuur bevat die zou kunnen leiden tot de eerste definitieve waarneming.

Topologische isolatoren van hogere orde, of HOTI's, hebben de aandacht getrokken vanwege hun vermogen om elektriciteit langs eendimensionale lijnen op hun oppervlak te geleiden, maar deze eigenschap is experimenteel vrij moeilijk te onderscheiden van andere effecten. Door in plaats daarvan de binnenkant van deze materialen vanuit een ander perspectief te bestuderen, heeft een team van natuurkundigen een oppervlaktesignatuur geïdentificeerd die uniek is voor HOTI's en die kan bepalen hoe licht van hun oppervlakken reflecteert.

Zoals het team rapporteert in het tijdschrift Nature Communications deze eigenschap zou kunnen worden gebruikt om het bestaan ​​van dergelijke topologische toestanden in echte materialen experimenteel te bevestigen.

"De bulk- of inwendige eigenschappen van HOTI's en andere topologische isolatoren zijn lange tijd buiten beschouwing gelaten, maar het blijkt dat daar ook veel interessante dingen aan de hand zijn", zegt Barry Bradlyn, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Illinois. Urbana-Champaign en een co-leider van het project. "Toen we door een zorgvuldiger lens naar de oppervlakken keken, vielen ze meteen op als verre van triviaal of karakterloos."

Lange tijd staan ​​topologische isolatoren bekend om hun vermogen om elektrische stromen over hun oppervlakken te geleiden terwijl ze een isolerend interieur hebben. HOTI's zouden de elektrische geleiding echter beperken tot een eendimensionale rand, of 'scharnier', in plaats van tot het gehele tweedimensionale oppervlak.

"Charles Kane, die topologische isolatoren ontdekte, introduceerde een goede analogie", zegt Benjamin Wieder, faculteitslid aan het Institut de Physique Théorique, Université Paris-Saclay en medeleider van het project. "We kunnen standaard topologische isolatoren beschouwen als Hershey's Kisses. Een geleidende metaalfolie gewikkeld rond een isolator die geen elektriciteit geleidt, de chocolade in dit geval, is een redelijk goede manier om ze te begrijpen. Met HOTI's is het echter alsof iemand pakte de folie en verfrommelde het tot een dunne ring die de chocolade omcirkelde."

Hoewel oppervlaktegeleidende toestanden zijn waargenomen in standaard topologische isolatoren, is het oplossen van het scharnier in HOTI's uitzonderlijk moeilijk gebleken. Bradlyn legde uit dat deze eigenschap alleen kan bestaan ​​in materiaalmonsters die een ongewoon hoge mate van symmetrie hebben, wat betekent dat hun kristalstructuren onrealistisch perfect moeten zijn.

In plaats daarvan richtten Bradlyn en zijn medewerkers hun aandacht van de scharniertoestand naar het binnenste, waar de elektronen de neiging hebben zich te ‘delocaliseren’ van individuele atomen en zich door het hele materiaal te verspreiden. In tegenstelling tot eerdere studies waarin alle elektronen hetzelfde werden behandeld, hielden de onderzoekers rekening met verschillen in spin:een eigenschap van elektronen die ervoor zorgt dat ze zich als miniatuurmagneten kunnen gedragen.

"Toen we de interne elektronen verdeelden in hun twee mogelijke spintoestanden, op en neer, zagen we dat elke toestand een unieke oppervlaktesignatuur achterlaat", zegt Kuan-Sen Lin, een afgestudeerde natuurkundestudent aan de U. of I. en de studie. hoofdauteur. "Ook al lijkt het oppervlak van een HOTI oninteressant, als je kijkt naar wat elke spin afzonderlijk aan het oppervlak doet, komt er een onmiskenbaar nieuw gedrag naar voren waarvan we hopen dat het binnenkort in experimenten zal worden gemeten."

Omdat elektronen met verschillende spins zich als magneten gedragen, reageren ze anders wanneer er elektrische spanning op het materiaal wordt aangelegd, waardoor de twee spintoestanden zich aan tegenovergestelde kanten ophopen. Deze accumulatie kan worden gedetecteerd door gebruik te maken van het magneto-optische Kerr-effect, waarbij de polarisatie of oriëntatie van het licht verandert wanneer het reflecteert vanaf het oppervlak van een magneet. In het geval van HOTI's berekenden de onderzoekers de polarisatieverandering van elke spintoestand, en ze ontdekten dat dit precies de helft was van de verandering die het gevolg zou zijn van een gewone isolator.

"In de Kiss-analogie zouden we kunnen verwachten dat, omdat de folie verfrommeld is, de chocolade in direct contact staat met de lucht", zegt Gregory Fiete, hoogleraar natuurkunde aan de Northeastern University en corresponderend auteur van het onderzoek. "Met het spin-afhankelijke oppervlaktegedrag dat we hebben gevonden, kunnen we zeggen dat er in feite een transparante laag zit die de chocolade gescheiden houdt van de rest van de supermarkt."

Door voort te bouwen op berekeningen uit de eerste principes met de gespecialiseerde theoretische toolkit die de onderzoekers voor deze studie ontwikkelden, identificeerden ze het metaalbismutbromide als een zeer sterke kandidaat voor het waarnemen van dit effect. Ze werken momenteel samen met U. of I. natuurkundeprofessor Fahad Mahmood en U. of I. professor materiaalkunde en techniek Daniel Shoemaker om de in dit onderzoek voorgestelde experimenten te ontwerpen en uit te voeren.

"De eigenschappen van HOTI's die we hier hebben geïdentificeerd, zouden zeer nuttig zijn in kwantumcomputers en spintronische apparaten, maar we moeten ze eerst in experimenten zien", zei Bradlyn. Wieder voegde eraan toe:"We hopen dat ons werk aantoont dat de binnenkant en oppervlakken van topologische materialen nog steeds veel mysterieuze en voordelige kenmerken herbergen als je weet hoe je ernaar moet zoeken."

De eerste principeberekeningen aan bismutbromide werden uitgevoerd door Zhaopeng Guo en Zhijun Wang van de Chinese Academie van Wetenschappen. Aanvullende computationele ondersteuning werd geleverd door Jeremey Blackburn van Binghamton University. Giandomenico Palumbo van het Dublin Institute for Advanced Studies en Yoonseok Hwang van de U. of I. hebben ook bijgedragen aan dit werk.

Meer informatie: Kuan-Sen Lin et al, Spin-opgeloste topologie en gedeeltelijke axionhoeken in driedimensionale isolatoren, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44762-w

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois