(Phys.org)—In bulk, topologische isolatoren (TI's) zijn goede isolatoren, maar op hun oppervlak werken ze als metalen, met een draai:de spin en richting van elektronen die over het oppervlak van een TI bewegen, zijn aan elkaar vergrendeld. TI's bieden unieke mogelijkheden om elektrische stromen en magnetisme te regelen, en nieuw onderzoek door een team van wetenschappers uit China en de VS, werken met Berkeley Lab's Alexei Fedorov bij beamline 12.0 bij de Advanced Light Source, wijst op manieren om hun oppervlaktetoestanden te manipuleren.

grafeen, een enkele laag koolstofatomen, deelt een intrigerende eigenschap met TI's. In beide, hun bandstructuren - de energieën waarmee elektronen vrij stromen in een geleidingsband of zijn gebonden aan atomen in een valentieband - zijn heel anders dan de overlappende banden van metalen, de ver uit elkaar liggende banden van isolatoren, of de smalle energiekloof van een halfgeleider tussen banden. In grafeen en TI's, geleidings- en valentiebanden vormen kegels die op een punt samenkomen, het Dirac-punt.

Hier houdt hun gelijkenis op. De perfecte kegels van grafeen geven slechts een schetsmatig beeld van de echte bandstructuur:een afwijking van perfect rechte lijnen treedt op wanneer alle mogelijke interacties van elektronen op hun weg over het koolstofatoomrooster worden meegenomen - een proces dat 'renormalisatie' wordt genoemd. Het renormaliseren van de elektronische toestanden nabij het Dirac-punt (met andere woorden, het tekenen van de punten van de kegels) vereist inzicht in het collectieve gedrag van talrijke elektronen en positief geladen gaten (afwezigheid van elektronen, ook bekend als quasideeltjes).

Renormalisatie is waargenomen in grafeen, maar niet in TI's - tot nu toe, en om het te doen was een truc nodig. De onderzoekers bestudeerden verschillende TI-verbindingen met behulp van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) bij bundellijn 12.0, die het unieke vermogen heeft om elektronische bandstructuren direct in beeld te brengen. Ze namen spectra van twee veelbelovende topologische isolatoren, bismuttelluride en bismutselenide.

TI's hebben twee sets bandstructuren, in navolging van het verschil tussen hun bulk- en oppervlakte-eigenschappen, en toen ARPES de monsterverbindingen "naakt, " de bulkbanden verdoezelden de oppervlaktekegels en Dirac-punten. Maar na het aanbrengen van lagen van puur bismut, dat is ook een TI, op de verbindingen, de vervelende bulk bands verdwenen.

In een gelaagde verbinding, bismut op bismuttelluride, ARPES onthulde op dramatische wijze het Dirac-punt - in feite twee van hen. Er verschenen twee reeksen convergerende lijnen, een ontmoeting aan de top van de oppervlaktevalentieband van bismuttelluride en de andere met een hogere energie. Een heldere verticale lijn verbond de uiteinden van de twee kegels.

Als de kegels echt gescheiden waren, de geladen deeltjes daartussen zouden een oneindige snelheid hebben. Maar na analyse, de onderzoekers bepaalden dat het ARPES-spectrum een ​​hybride was, en dat de veelbetekenende verticale lijn voortkwam uit interacties tussen veel lichamen die het teken waren van de oneindige blokkerende renormalisatie die ze zochten.

Wat veel-lichaamsinteracties moeilijk maakt om te detecteren in TI's, is dat, in tegenstelling tot grafeen, hun oppervlaktebandstructuren zijn spin-gepolariseerd, of 'spiraalvormig'. Door twee bijzonder goed op elkaar afgestemde TI's te hybridiseren en hun Dirac-kegels scheef te trekken, de verborgen renormalisatie is gevonden - in ten minste één TI-structuur.