Oberflächen-„Signatur“ könnte exotische topologische Isolatoren unterscheiden – Physics World

Eine neu entdeckte „Oberflächensignatur“ von Materialien, die als topologische Isolatoren höherer Ordnung bekannt sind, könnte ihre Identifizierung erleichtern – eine Aufgabe, die sich bisher als Herausforderung erwiesen hat. Bei der Technik, die von Forschern in den USA, Frankreich, China und Irland entwickelt wurde, werden Änderungen der Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls gemessen, wenn dieser von der Materialoberfläche reflektiert wird. Obwohl die Technik noch nicht experimentell demonstriert wurde, könnte sie sich als nützlich für die Entwicklung von Quantencomputern und Spintronikgeräten erweisen, die die Eigenschaften dieser ungewöhnlichen Materialien nutzen.

Topologische Isolatoren wurden 2008 entdeckt und sind Materialien, die entlang ihrer Kanten oder Oberflächen Elektrizität sehr gut leiten, während sie in ihrer Masse als Isolatoren wirken. In einigen topologischen Isolatoren induziert der elektrische Randzustandsstrom einen transversalen Spinstrom. Diese Materialien werden in Analogie zum bekannteren Quanten-Hall-Effekt als Quanten-Spin-Hall-Systeme bezeichnet, bei dem starke Magnetfelder einen elektrischen Stromfluss entlang der Kante eines Halbleiters induzieren.

Innerhalb der Randzustände eines topologischen Isolators können sich Elektronen nur in eine Richtung bewegen. Anders als bei normalen Leitern kommt es zu keiner Rückstreuung. Dieses bemerkenswerte Verhalten ermöglicht es topologischen Isolatoren, elektrischen Strom nahezu verlustfrei zu transportieren – eine Eigenschaft, die bei Entwicklern elektronischer Geräte auf großes Interesse stößt, die sie nutzen wollen, um solche Geräte weitaus energieeffizienter zu machen, als sie es heute sind.

Im Laufe des letzten Jahrzehnts sind weitere topologische Materialien (einschließlich Dirac-Halbmetalle, Weyl-Halbmetalle und axionische Isolatoren) mit noch seltsameren Eigenschaften entstanden. In jüngster Zeit wurde die Existenz von Materialien theoretisiert, die in ihrer Masse, auf ihrer Oberfläche und entlang ihrer Kanten isolierend, an Scharnieren oder Ecken jedoch leitend sind. Die Scharnierzustände in diesen sogenannten topologischen Isolatoren höherer Ordnung (HOTIs) sind für das Studium der Spintronik interessant, da die Richtung der Elektronenausbreitung in ihnen mit dem Spin der Elektronen zusammenhängt. HOTIs sind auch vielversprechend für Majorana-Fermionen, die im fehlertoleranten Quantencomputing Anwendung finden – vorausgesetzt, ihre Existenz kann eindeutig nachgewiesen werden.

Schwer von anderen Effekten zu unterscheiden

Grundsätzlich zeichnen sich HOTIs dadurch aus, dass sie Strom nur entlang eindimensionaler Linien auf ihrer Oberfläche leiten – also entlang der Grenze einer Grenze. In der Praxis sind sie jedoch schwer zu erkennen, da andere Phänomene (einschließlich kristalliner Defekte in einer Probe) ähnliche experimentelle Signaturen erzeugen können. Erschwerend kommt hinzu, dass HOTI-Eigenschaften voraussichtlich nur bei Materialien mit einem ungewöhnlich hohen Grad an Symmetrie auftreten, erklärt Barry Bradlyn, ein Physiker an der University of Illinois in Urbana-Champaign, USA, der die neue Studie mitleitete. „Dies erfordert Kristallstrukturen, die unrealistisch perfekt sind, und bisher haben nur eine Handvoll Materialien, darunter das Element Wismut, experimentelle Signaturen gezeigt, die mit dieser Materialkategorie übereinstimmen“, sagt Bradlyn.

In ihrer Arbeit, die detailliert in Nature Communications veröffentlicht Bradlyn und Kollegen analysierten Elektronen, die sich durch die Masse eines HOTI ausbreiten, und konzentrierten sich dabei auf den Spin der Elektronen, der entweder nach oben oder nach unten gerichtet sein kann. Würde an die Probe eine elektrische Spannung angelegt, würden sich diese beiden Spinzustände auf gegenüberliegenden Seiten ansammeln. Die Forscher berechneten, dass diese Spinkonfiguration über ein Phänomen, das als magnetooptischer Kerr-Effekt bekannt ist, eine messbare Signatur erzeugen würde, bei der sich die Polarisation eines einfallenden Lichtstrahls ändert, wenn er von der Oberfläche einer Probe reflektiert wird.

Den Berechnungen des Teams zufolge würde die Polarisationsänderung, die sich aus jedem Spinzustand an der Oberfläche eines HOTI-Materials ergibt, genau halb so groß sein wie bei einer gewöhnlichen zweidimensionalen isolierenden Oberfläche. „Diese ‚spin-aufgelöste‘ Reaktion an der Oberfläche ist aufregend“, sagt Bradlyn, „da sie die erste Vorhersage für eine robuste experimentelle Signatur für HOTI-Materialien liefert.“

Die Eigenschaften von HOTIs, die das Team in dieser Arbeit identifiziert hat, könnten für Quantencomputer und spintronische Geräte sehr nützlich sein, fährt Bradlyn fort, obwohl Forscher sie zuerst in einem Experiment sehen müssten. „Wir hoffen, dass unsere Studie zeigt, dass das Innere und die Oberfläche topologischer Materialien immer noch viele mysteriöse und vorteilhafte Merkmale aufweisen, wenn man weiß, wie man danach sucht“, sagt er.

Die Forscher versuchen nun, ihren Formalismus zu erweitern, um topologische kristalline Isolatoren zu analysieren, die durch andere Symmetrien geschützt sind. „Wir werden uns auch mit supraleitenden Systemen befassen“, erzählt Bradlyn Physik-Welt.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/