Overflate 'signatur' kan skille eksotiske topologiske isolatorer – Physics World

En nyoppdaget "overflatesignatur" av materialer kjent som topologiske isolatorer av høyere orden kan gjøre dem lettere å identifisere - en oppgave som har vist seg utfordrende til nå. Teknikken, som ble utviklet av forskere i USA, Frankrike, Kina og Irland, ville innebære måling av endringer i polarisasjonen til en innkommende lysstråle når den reflekteres fra materialets overflate. Selv om den ennå ikke er demonstrert eksperimentelt, kan teknikken vise seg å være nyttig for å utvikle kvantedatamaskiner og spintronikkenheter som utnytter egenskapene til disse uvanlige materialene.

Oppdaget i 2008, topologiske isolatorer er materialer som leder elektrisitet veldig godt langs kantene eller overflatene mens de fungerer som isolatorer i sin bulk. I noen topologiske isolatorer induserer den elektriske kantstrømmen en tverrgående spinnstrøm. Disse materialene er kjent som quantum spin Hall-systemer i analogi med den bedre kjente quantum Hall-effekten, der sterke magnetiske felt induserer elektrisk strøm til å flyte langs kanten av en halvleder.

Innenfor en topologisk isolators kanttilstander kan elektroner bare bevege seg i én retning. I motsetning til vanlige ledere, sprer de seg ikke tilbake. Denne bemerkelsesverdige oppførselen gjør at topologiske isolatorer kan føre elektrisk strøm med nesten null spredning – en egenskap som tiltrekker seg betydelig interesse blant utviklere av elektroniske enheter, som håper å utnytte den til å gjøre slike enheter langt mer energieffektive enn de er i dag.

I løpet av det siste tiåret eller så har ytterligere topologiske materialer (inkludert Dirac-halvmetaller, Weyl-halvmetaller og aksioniske isolatorer) dukket opp med enda merkeligere egenskaper. Senest har materialer som er isolerende i sin bulk, på overflatene og langs kantene, men som leder ved hengsler eller hjørner, blitt teoretisert å eksistere. Hengseltilstandene i disse såkalte høyere-ordens topologiske isolatorene (HOTIs) er interessante for studiet av spintronikk fordi retningen for elektronutbredelse i dem er relatert til elektronenes spinn. HOTI-er har også løfter for Majorana-fermioner, som har applikasjoner innen feiltolerant kvanteberegning - forutsatt at de definitivt kan bevises å eksistere.

Vanskelig å skille fra andre effekter

I prinsippet er HOTI-er svært særegne fordi de bare leder elektrisitet langs endimensjonale linjer på overflaten deres - det vil si langs grensen til en grense. I praksis er de imidlertid vanskelige å oppdage fordi andre fenomener (inkludert krystallinske defekter i en prøve) kan produsere lignende eksperimentelle signaturer. For å komplisere saken, er HOTI-egenskaper kun spådd å forekomme i materialer med en uvanlig høy grad av symmetri, forklarer Barry Bradlyn, en fysiker ved University of Illinois i Urbana-Champaign, USA, som ledet den nye studien. "Dette krever krystallstrukturer som er urealistisk perfekte, og til nå har bare en håndfull materialer, inkludert elementet vismut, vist eksperimentelle signaturer i samsvar med denne kategorien materiale," sier Bradlyn.

I deres arbeid, som er detaljert i Nature Communications, analyserte Bradlyn og kolleger elektroner som forplanter seg gjennom hoveddelen av en HOTI, med fokus på elektronenes spinn, som kan være enten opp eller ned. Hvis en elektrisk spenning ble påført prøven, ville disse to spinntilstandene akkumuleres på motsatte sider. Forskerne beregnet at denne spinnkonfigurasjonen ville produsere en målbar signatur via et fenomen kjent som den magneto-optiske Kerr-effekten, der polarisasjonen til en innkommende lysstråle endres når den reflekteres fra overflaten til en prøve.

I følge teamets beregninger vil polarisasjonsendringen som følge av hver spinntilstand på overflaten av et HOTI-materiale være nøyaktig halvparten av det som forventes for en vanlig 2D-isolerende overflate. "Denne 'spinn-løste' responsen på overflaten er spennende," sier Bradlyn, "ettersom den gir den første spådommen for en robust eksperimentell signatur for HOTI-materialer."

Egenskapene til HOTI-er som teamet identifiserte i dette arbeidet kan være svært nyttige i kvantedatabehandling og spintroniske enheter, fortsetter Bradlyn, selv om forskere må se dem i et eksperiment først. "Vi håper at studien vår viser at innsiden og overflatene til topologiske materialer fortsatt har mange mystiske og fordelaktige funksjoner hvis du vet hvordan du skal lete etter dem," sier han.

Forskerne prøver nå å utvide sin formalisme til å analysere topologiske krystallinske isolatorer beskyttet av andre symmetrier. "Vi vil også se nærmere på superledende systemer," forteller Bradlyn Fysikkens verden.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/