Overflade 'signatur' kunne skelne eksotiske topologiske isolatorer – Physics World

Overflade 'signatur' kunne skelne eksotiske topologiske isolatorer – Physics World

Tidsstempel: 26. februar 2024 kl. 4:30


Diagram, der viser endimensionelle overfladehængselstilstande, der er karakteristiske for HOTI'er
Endimensionelle overfladehængseltilstande, der er karakteristiske for HOTI'er. Forskere har vist, hvordan man kan opdage HOTI'er uden at observere sådanne hængseltilstande. (Med høflighed: Grainger College of Engineering ved University of Illinois Urbana-Champaign)

En nyopdaget "overfladesignatur" af materialer kendt som topologiske isolatorer af højere orden kunne gøre dem nemmere at identificere - en opgave, der har vist sig udfordrende indtil nu. Teknikken, som er udviklet af forskere i USA, Frankrig, Kina og Irland, vil involvere måling af ændringer i polariseringen af ​​en indkommende lysstråle, når den reflekteres fra materialets overflade. Selvom den endnu ikke er demonstreret eksperimentelt, kan teknikken vise sig at være nyttig til udvikling af kvantecomputere og spintronik-enheder, der udnytter egenskaberne af disse usædvanlige materialer.

Opdaget i 2008 er topologiske isolatorer materialer, der leder elektricitet meget godt langs deres kanter eller overflader, mens de fungerer som isolatorer i deres bulk. I nogle topologiske isolatorer inducerer kant-tilstand elektrisk strøm en tværgående spinstrøm. Disse materialer er kendt som quantum spin Hall-systemer i analogi med den bedre kendte quantum Hall-effekt, hvor stærke magnetiske felter inducerer elektrisk strøm til at flyde langs kanten af ​​en halvleder.

Inden for en topologisk isolator's kanttilstande kan elektroner kun rejse i én retning. I modsætning til normale ledere, spreder de ikke tilbage. Denne bemærkelsesværdige adfærd gør det muligt for topologiske isolatorer at føre elektrisk strøm med næsten nul-spredning - en egenskab, der tiltrækker betydelig interesse blandt udviklere af elektroniske enheder, som håber at udnytte det til at gøre sådanne enheder langt mere energieffektive, end de er i dag.

I løbet af det sidste årti eller deromkring er yderligere topologiske materialer (herunder Dirac-halvmetaller, Weyl-halvmetaller og aksioniske isolatorer) dukket op med endnu mærkeligere egenskaber. Senest er der blevet teoretiseret at der eksisterer materialer, der er isolerende i deres bulk, på deres overflader og langs deres kanter, men som leder ved hængsler eller hjørner. Hængselstilstandene i disse såkaldte højere-ordens topologiske isolatorer (HOTI'er) er interessante for studiet af spintronik, fordi retningen af ​​elektronudbredelse i dem er relateret til elektronernes spin. HOTI'er lover også Majorana-fermioner, som har applikationer inden for fejltolerant kvanteberegning - forudsat at de endeligt kan bevises at eksistere.

Svært at skelne fra andre effekter

I princippet er HOTI'er meget karakteristiske, fordi de kun leder elektricitet langs endimensionelle linjer på deres overflade - det vil sige langs grænsen af ​​en grænse. I praksis er de imidlertid vanskelige at opdage, fordi andre fænomener (herunder krystallinske defekter i en prøve) kan producere lignende eksperimentelle signaturer. For at komplicere sagerne forudsiges HOTI-egenskaber kun at forekomme i materialer med en usædvanlig høj grad af symmetri, forklarer Barry Bradlyn, en fysiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, der var med til at lede den nye undersøgelse. "Dette kræver krystalstrukturer, der er urealistisk perfekte, og indtil nu har kun en håndfuld materialer, inklusive elementet bismuth, vist eksperimentelle signaturer i overensstemmelse med denne kategori af materiale," siger Bradlyn.

I deres arbejde, som er detaljeret i Nature Communications, analyserede Bradlyn og kolleger elektroner, der forplantede sig gennem hovedparten af ​​en HOTI, med fokus på elektronernes spin, som kan være enten op eller ned. Hvis en elektrisk spænding blev påført prøven, ville disse to spin-tilstande akkumuleres på modsatte sider. Forskerne beregnede, at denne spin-konfiguration ville producere en målbar signatur via et fænomen kendt som den magneto-optiske Kerr-effekt, hvor polariseringen af ​​en indkommende lysstråle ændres, når den reflekteres fra overfladen af ​​en prøve.

Ifølge holdets beregninger ville polarisationsændringen som følge af hver spin-tilstand ved overfladen af ​​et HOTI-materiale være nøjagtig det halve af, hvad der forventes for en almindelig 2D-isolerende overflade. "Dette 'spin-opløste' svar ved overfladen er spændende," siger Bradlyn, "da det giver den første forudsigelse for en robust eksperimentel signatur for HOTI-materialer."

Egenskaberne ved HOTI'er, som holdet identificerede i dette arbejde, kunne være meget nyttige i kvantecomputere og spintroniske enheder, fortsætter Bradlyn, selvom forskerne først skulle se dem i et eksperiment. "Vi håber, at vores undersøgelse viser, at indersiden og overfladen af ​​topologiske materialer stadig er vært for mange mystiske og fordelagtige funktioner, hvis du ved, hvordan man leder efter dem," siger han.

Forskerne forsøger nu at udvide deres formalisme til at analysere topologiske krystallinske isolatorer beskyttet af andre symmetrier. "Vi vil også undersøge superledende systemer," fortæller Bradlyn Fysik verden.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden