De ontdekking van wat in wezen een 3D-versie van grafeen is - de 2D-platen van koolstof waar elektronen doorheen racen met vele malen de snelheid waarmee ze door silicium bewegen - belooft opwindende nieuwe dingen voor de hightech-industrie, inclusief veel snellere transistors en veel compactere harde schijven. Een samenwerking van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het DOE heeft ontdekt dat natriumbismutaat kan bestaan ​​als een vorm van kwantummaterie, een driedimensionaal topologisch Dirac-semi-metaal (3DTDS). Dit is de eerste experimentele bevestiging van 3D Dirac-fermionen in het binnenste of bulk van een materiaal, een nieuwe staat die pas onlangs door theoretici werd voorgesteld.

"Een 3DTDS is een natuurlijke driedimensionale tegenhanger van grafeen met vergelijkbare of zelfs betere mobiliteit en snelheidselektronen, " zegt Yulin Chen, een natuurkundige met Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) toen hij de studie startte die tot deze ontdekking leidde, en nu bij de Universiteit van Oxford. "Vanwege zijn 3D Dirac-fermionen in de bulk, een 3DTDS heeft ook een intrigerende, niet-verzadige lineaire magnetoweerstand die orden van grootte hoger kan zijn dan de GMR-materialen die nu in harde schijven worden gebruikt, en het opent de deur naar efficiëntere optische sensoren."

Chen is de corresponderende auteur van een paper in Wetenschap de ontdekking melden. Het artikel is getiteld "Discovery of a Three-dimensional Topological Dirac Semimetal, nee ₃ Bi." Co-auteurs waren Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung-Kwan Mo, Zhi Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai en Zahid Hussain.

Twee van de meest opwindende nieuwe materialen in de wereld van geavanceerde technologie van vandaag zijn grafeen en topologische isolatoren, kristallijne materialen die elektrisch isolerend zijn in de massa, maar aan het oppervlak geleiden. Beide hebben 2D Dirac-fermionen (fermionen die niet hun eigen antideeltje zijn), die aanleiding geven tot buitengewone en zeer begeerde fysieke eigenschappen. Topologische isolatoren hebben ook een unieke elektronische structuur, waarin bulkelektronen zich gedragen als die in een isolator, terwijl oppervlakte-elektronen zich gedragen als die in grafeen.

"De snelle ontwikkeling van grafeen en topologische isolatoren heeft de vraag doen rijzen of er 3D-tegenhangers en andere materialen met een ongebruikelijke topologie in hun elektronische structuur zijn, " zegt Chen. "Onze ontdekking beantwoordt beide vragen. In het natriumbismutaat dat we bestudeerden, de bulkgeleiding en valentiebanden raken elkaar alleen op discrete punten en verspreiden zich lineair langs alle drie de momentumrichtingen om bulk 3D Dirac-fermionen te vormen. Verder, de topologie van een 3DTSD elektronische structuur is ook zo uniek als die van topologische isolatoren."

De ontdekking werd gedaan bij de Advanced Light Source (ALS), een DOE nationale gebruikersfaciliteit gehuisvest in Berkeley Lab, met behulp van bundellijn 10.0.1, die is geoptimaliseerd voor elektronenstructuurstudies. Het samenwerkende onderzoeksteam ontwikkelde eerst een speciale procedure om het natriumbismutaat op de juiste manier te synthetiseren en te transporteren, een semi-metaalverbinding geïdentificeerd als een sterke 3DTDS-kandidaat door co-auteurs Fang en Dai, theoretici van de Chinese Academie van Wetenschappen.

Bij ALS-straallijn 10.0.1, de medewerkers bepaalden de elektronische structuur van hun materiaal met behulp van Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES), waarin röntgenstralen die een materiaaloppervlak of grensvlak raken, de foto-emissie van elektronen veroorzaken onder hoeken en kinetische energieën die kunnen worden gemeten om een ​​gedetailleerd elektronisch spectrum te verkrijgen.

"ALS beamline 10.0.1 is perfect voor het verkennen van nieuwe materialen, omdat het een unieke mogelijkheid heeft waarbij de analysator wordt verplaatst in plaats van het monster voor de ARPES-meetscans, " zegt Chen. "Dit maakte ons werk veel gemakkelijker omdat het gespleten monsteroppervlak van ons materiaal soms meerdere facetten heeft, waardoor de meetschema's met roterende monsters die typisch worden gebruikt voor ARPES-metingen moeilijk uit te voeren zijn."

Natriumbismutaat is te onstabiel om te worden gebruikt in apparaten zonder de juiste verpakking, maar het zet aan tot de verkenning van de ontwikkeling van andere 3DTDS-materialen die beter geschikt zijn voor alledaagse apparaten, een zoektocht die al aan de gang is. Natriumbismutaat kan ook worden gebruikt om mogelijke toepassingen van 3DTDS-systemen aan te tonen, die een aantal duidelijke voordelen bieden ten opzichte van grafeen.

"Een 3DTDS-systeem zou in veel toepassingen een aanzienlijke verbetering van de efficiëntie kunnen bieden ten opzichte van grafeen vanwege het 3D-volume, " zegt Chen. "Ook, het maken van grote atomair dunne grafeenfilms met één domein is nog steeds een uitdaging. Het zou gemakkelijker kunnen zijn om grafeen-achtige apparaten te fabriceren voor een breder scala aan toepassingen van 3DTDS-systemen."

In aanvulling, Chen zegt, een 3DTDS-systeem opent ook de deur naar andere nieuwe fysische eigenschappen, zoals gigantisch diamagnetisme dat divergeert wanneer energie het 3D Dirac-punt nadert, kwantum magnetoweerstand in de bulk, unieke Landau-niveaustructuren onder sterke magnetische velden, en oscillerende kwantumspin Hall-effecten. Al deze nieuwe eigenschappen kunnen een zegen zijn voor toekomstige elektronische technologieën. Toekomstige 3DTDS-systemen kunnen ook dienen als een ideaal platform voor toepassingen in de spintronica.