De 'handtekening' van het oppervlak zou exotische topologische isolatoren kunnen onderscheiden - Physics World

Een nieuw ontdekte ‘oppervlaktesignatuur’ van materialen die bekend staan ​​als topologische isolatoren van hogere orde zou ze gemakkelijker te identificeren kunnen maken – een taak die tot nu toe een uitdaging is gebleken. De techniek, die is ontwikkeld door onderzoekers in de VS, Frankrijk, China en Ierland, omvat het meten van veranderingen in de polarisatie van een binnenkomende lichtbundel terwijl deze weerkaatst op het oppervlak van het materiaal. Hoewel nog niet experimenteel gedemonstreerd, zou de techniek nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en spintronica-apparaten die de eigenschappen van deze ongebruikelijke materialen exploiteren.

Topologische isolatoren, ontdekt in 2008, zijn materialen die elektriciteit zeer goed langs hun randen of oppervlakken geleiden, terwijl ze in hun bulk als isolatoren fungeren. In sommige topologische isolatoren induceert de elektrische stroom in de randtoestand een transversale spinstroom. Deze materialen staan ​​bekend als quantum-spin-Hall-systemen naar analogie met het bekendere quantum-Hall-effect, waarbij sterke magnetische velden ervoor zorgen dat elektrische stroom langs de rand van een halfgeleider vloeit.

Binnen de randtoestanden van een topologische isolator kunnen elektronen slechts in één richting reizen. In tegenstelling tot normale geleiders verstrooien ze niet terug. Dit opmerkelijke gedrag zorgt ervoor dat topologische isolatoren elektrische stroom kunnen transporteren met vrijwel geen dissipatie – een eigenschap die aanzienlijke belangstelling trekt onder ontwikkelaars van elektronische apparaten, die deze hopen te exploiteren om dergelijke apparaten veel energiezuiniger te maken dan ze nu zijn.

In de afgelopen tien jaar zijn er nog meer topologische materialen (waaronder Dirac-semimetalen, Weyl-semimetalen en axionische isolatoren) ontstaan ​​met nog vreemdere eigenschappen. Meest recentelijk is het bestaan ​​van materialen die in hun omvang, op hun oppervlakken en langs hun randen isolerend zijn, maar geleidend zijn bij scharnieren of hoeken, getheoretiseerd. De scharniertoestanden in deze zogenaamde topologische isolatoren van hogere orde (HOTI's) zijn interessant voor de studie van spintronica omdat de richting van de elektronenvoortplanting daarin verband houdt met de spin van de elektronen. HOTI’s zijn ook veelbelovend voor Majorana-fermionen, die toepassingen hebben in fouttolerante kwantumcomputers – op voorwaarde dat definitief kan worden bewezen dat ze bestaan.

Moeilijk te onderscheiden van andere effecten

In principe zijn HOTI's zeer onderscheidend omdat ze alleen elektriciteit geleiden langs eendimensionale lijnen op hun oppervlak, dat wil zeggen langs de grens van een grens. In de praktijk zijn ze echter moeilijk te detecteren omdat andere verschijnselen (waaronder kristallijne defecten in een monster) vergelijkbare experimentele kenmerken kunnen produceren. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, wordt voorspeld dat HOTI-eigenschappen alleen voorkomen in materialen met een ongewoon hoge mate van symmetrie, legt uit Barry Bradlyn, een natuurkundige aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, VS, die mede leiding gaf aan het nieuwe onderzoek. “Dit vereist kristalstructuren die onrealistisch perfect zijn en tot nu toe hebben slechts een handvol materialen, waaronder het element bismut, experimentele signatuur laten zien die consistent is met deze categorie materiaal”, zegt Bradlyn.

In hun werk, dat wordt beschreven in Nature Communicationsanalyseerden Bradlyn en collega's elektronen die zich voortplanten door het grootste deel van een HOTI, waarbij ze zich concentreerden op de spin van de elektronen, die zowel omhoog als omlaag kan zijn. Als er een elektrische spanning op het monster zou worden toegepast, zouden deze twee spintoestanden zich aan weerszijden ophopen. De onderzoekers berekenden dat deze spinconfiguratie een meetbare signatuur zou produceren via een fenomeen dat bekend staat als het magneto-optische Kerr-effect, waarbij de polarisatie van een binnenkomende lichtbundel verandert wanneer deze weerkaatst op het oppervlak van een monster.

Volgens de berekeningen van het team zou de polarisatieverandering als gevolg van elke spintoestand aan het oppervlak van een HOTI-materiaal precies de helft zijn van wat verwacht wordt voor een gewoon 2D-isolerend oppervlak. “Deze ‘spin-resolved’ respons aan de oppervlakte is opwindend,” zegt Bradlyn, “omdat het de eerste voorspelling geeft voor een robuuste experimentele signatuur voor HOTI-materialen.”

De eigenschappen van HOTI's die het team in dit werk heeft geïdentificeerd, zouden zeer nuttig kunnen zijn in kwantumcomputers en spintronische apparaten, vervolgt Bradlyn, hoewel onderzoekers ze eerst in een experiment moeten zien. “We hopen dat ons onderzoek aantoont dat de binnenkant en oppervlakken van topologische materialen nog steeds veel mysterieuze en voordelige kenmerken herbergen als je weet hoe je ernaar moet zoeken”, zegt hij.

De onderzoekers proberen nu hun formalisme uit te breiden om topologische kristallijne isolatoren te analyseren die worden beschermd door andere symmetrieën. “We gaan ook onderzoek doen naar supergeleidende systemen”, vertelt Bradlyn Natuurkunde wereld.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/