Лучший топологический проводник: спиральный кристалл — ключ к экзотическому открытию

На этом рисунке показано повторное двумерное структурирование свойства, связанного с электропроводностью, известного как поверхностная ферми-дуга, в образцах кристаллов родия-кремния. Предоставлено: Хасан Лаб / Принстонский университет.

Реализация так называемых топологических материалов, которые обладают экзотическими, устойчивыми к дефектам свойствами и, как ожидается, будут применяться в электронике, оптике, квантовых вычислениях и других областях, открыла новую сферу в области открытия материалов.

Некоторые из горячо изученных топологических материалов на сегодняшний день известны как топологические изоляторы. Предполагается, что их поверхности будут проводить электричество с очень небольшим сопротивлением, чем-то похожим на сверхпроводники, но без необходимости в невероятно холодных температурах, в то время как их внутренности — так называемая «масса» материала — не проводят ток.

Теперь группа исследователей, работающих в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики (Berkeley Lab), обнаружила самый сильный из всех топологических проводников в виде тонких кристаллических образцов, имеющих структуру с винтовой лестницей. Об исследовании группы кристаллов, названных топологическими хиральными кристаллами, сообщается в журнале Nature от 20 марта .

ДНК-подобная спиралевидная структура, или геликоид, в кристаллическом образце, который был в центре внимания последнего исследования, демонстрирует хиральность или «двуручность», поскольку человек может быть как левшой, так и правшой, а левая рука является зеркалом изображение правой руки. В некоторых случаях свойства кирала могут быть перевернуты, как если бы левша стал правшой.

«В этой новой работе мы, по существу, доказываем, что это новое состояние квантовой материи, которое также демонстрирует почти идеальные топологические свойства поверхности, возникающие вследствие хиральности кристаллической структуры», — сказал М. Захид Хасан, топологический материал. пионер, который руководил теорией материалов и экспериментами в качестве приглашенного преподавателя факультета материаловедения в лаборатории Беркли. Хасан также является профессором физики Юджина Хиггинса в Принстонском университете.

Было определено, что свойство, определяющее топологическую проводимость, которое связано с электропроводностью поверхности материала, примерно в 100 раз больше, чем наблюдаемое в ранее идентифицированных топологических металлах.

Это свойство, известное как поверхностная ферми-дуга, было обнаружено в рентгеновских экспериментах в усовершенствованном источнике света (ALS) лаборатории Беркли с использованием метода, известного как фотоэмиссионная спектроскопия. ALS — это синхротрон, который производит интенсивный свет — от инфракрасного до высокоэнергетического рентгеновского излучения — для десятков одновременных экспериментов.

Топология — это устоявшаяся математическая концепция, которая относится к сохранению геометрических свойств объекта, даже если объект растягивается или деформируется другими способами. Некоторые из его экспериментальных применений в трехмерных электронных материалах, такие как обнаружение топологического поведения в электронных структурах материалов, были реализованы всего лишь более десяти лет назад, благодаря раннему и постоянному вкладу Berkeley Lab.

«После более чем 12 лет исследований в области топологической физики и материалов я считаю, что это только вершина айсберга», — добавил Хасан. «Судя по нашим измерениям, это самый прочный, топологически защищенный проводящий металл, который когда-либо был обнаружен кем-либо — он выводит нас на новый рубеж».

Топологически защищенный означает, что некоторые свойства материала надежно постоянны, даже если материал не идеален. Это качество также способствует будущим возможностям практического применения и технологичности этих типов материалов.

Илья Белопольский, исследователь из Принстона, который участвовал как в теории, так и в экспериментальной работе, отметил, что особенно интересным свойством исследуемых кристаллов, в том числе кристаллов кобальта-кремния и родия-кремния, является то, что они могут генерировать электрический ток фиксированной силы. когда ты проливаешь на них свет.

«Наши предыдущие теории показали, что — основываясь на электронных свойствах материала, которые мы сейчас наблюдаем, — ток будет фиксирован при определенных значениях», — сказал он. «Неважно, насколько большой образец или грязный. Это универсальное значение. Это удивительно. Для приложений производительность будет одинаковой».

В предыдущих экспериментах в ALS команда Хасана обнаружила существование типа безмассовых квазичастиц, известных как фермионы Вейля, которые, как было известно, существуют в теории только около 85 лет.

Фермионы Вейля, которые наблюдались в синтетических кристаллах полуметалла, называемого арсенидом тантала, проявляют некоторые электронные свойства, аналогичные тем, которые были обнаружены в кристаллах, использованных в последнем исследовании, но им не хватало их хиральных свойств. Полуметаллы — это материалы, которые имеют некоторые металлические и неметаллические свойства.

«Наши ранние работы по полуметаллам Вейля проложили путь к исследованиям экзотических топологических проводников», — сказал Хасан. В исследовании, проведенном в ноябре 2017 года и посвященном теории, касающейся этих экзотических материалов, команда Хасана предсказала, что электроны в родии-кремнии и многих связанных материалах ведут себя весьма необычным образом.

Команда предсказала, что квазичастицы в материале, описываемые коллективным движением электронов, возникают как безмассовые электроны и должны вести себя как замедленные трехмерные частицы света с определенными чертами характера или хиральности в отличие от топологических изоляторов или графена.

Кроме того, их расчеты, опубликованные 1 октября 2018 года в журнале Nature Materials, показали, что электроны в кристаллах будут вести себя коллективно, как если бы они были магнитными монополями в своем движении. Магнитные монополи — это гипотетические частицы с одним магнитным полюсом — как Земля без Южного полюса, которая может двигаться независимо от Северного полюса.

Все это необычное топологическое поведение указывает на киральную природу кристаллических образцов, которые создают спиральную или «геликоидальную» электронную структуру, как это наблюдалось в экспериментах, отметил Хасан.

Лучший топологический проводник: спиральный кристалл - ключ к экзотическому открытию

Исследованные образцы, содержащие кристаллы размером до пары миллиметров, были заранее подготовлены несколькими международными источниками. Кристаллы были охарактеризованы группой Хасана в Принстонской лаборатории топологической квантовой материи и расширенной спектроскопии с использованием низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, который может сканировать образцы в атомном масштабе, а затем образцы были отправлены в лабораторию Беркли.

Перед обучением в ALS образцы подвергались специальной полировочной обработке на молекулярном литейном заводе Berkeley Lab, наноразмерном научно-исследовательском центре. Даниэль Санчес и Тайлер Кохран, исследователи из Принстона, которые внесли свой вклад в исследование, сказали, что образцы для таких исследований обычно «расщепляются» или ломаются, так что они атомарно плоские.

Но в этом случае кристаллические связи были очень прочными, потому что кристаллы имеют кубическую форму. Поэтому члены команды работали с персоналом в Молекулярном литейном заводе, чтобы стрелять атомами аргона высоких энергий в образцы кристаллов, чтобы очистить и выровнять их, а затем перекристаллизовать и отполировать образцы в процессе нагревания.

Исследователи использовали две разные линии рентгеновского излучения в ALS (Beamline 10.0.1 и Beamline 4.0.3), чтобы раскрыть необычные электронные и спиновые свойства кристаллических образцов.

Поскольку электронное поведение в образцах, по-видимому, имитирует хиральность в структуре кристаллов, Хасан сказал, что есть много других возможностей для изучения, таких как проверка возможности передачи сверхпроводимости через другие материалы в топологический проводник.

«Это может привести к новому типу сверхпроводника, — сказал он, — или к исследованию нового квантового эффекта. Возможно ли иметь киральный топологический сверхпроводник?»

Кроме того, хотя топологические свойства, наблюдаемые в кристаллах родия-кремния и кобальта-кремния в последнем исследовании, считаются идеальными, существует много других материалов, которые можно было бы изучить, чтобы оценить их потенциал для повышения производительности в реальных приложениях, Хасан сказал.

«Оказывается, такую ​​же физику в будущем можно будет реализовать и в других соединениях, которые больше подходят для устройств», — сказал он.

«Это огромное удовлетворение, когда вы предсказываете что-то экзотическое, и это также появляется в лабораторных экспериментах», — добавил Хасан, отметив предыдущие успехи своей команды в прогнозировании топологических свойств материалов . «С определенными теоретическими предсказаниями мы объединили теорию и эксперименты, чтобы продвинуть границу знаний».

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-topological-conductor-spiraling-crystal-key.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...