[ad_1]
Podwójne fazy topologiczne zostały odkryte w wewnętrznym krysztale jednowarstwowym, odkrycie, które ujawnia nowe i unikalne właściwości naginania reguł w materiale kwantowym, międzynarodowy zespół naukowców kierowany przez fizyków z Boston College poinformował niedawno w internetowej wersji czasopisma Nature.
Odkrycie podwójnego izolatora topologicznego wprowadza nową metodę tworzenia topologicznych płaskich minipasm poprzez oddziaływania elektronowe, które oferują obiecującą platformę do badania egzotycznych faz kwantowych i elektromagnetyzmu, poinformował zespół.
„Eksperymentalnie wyprodukowaliśmy wysokiej jakości, atomowo cienkie próbki TaIrTe4 i opracowaliśmy odpowiednie urządzenia elektroniczne” – powiedział Qiong Ma, adiunkt fizyki w Boston College, główny autor raportu. „Szczególnie intrygujące jest nasze odkrycie nie tylko jednego, ale dwóch topologicznych stanów izolacyjnych, wykraczających poza przewidywania teorii”.
Odkrycia wprowadzają nowy efekt, który zespół nazywa podwójnym izolatorem topologicznym lub podwójnym kwantowym izolatorem spinu Halla, powiedział Ma.
Wyjątkowo cienkie, dwuwymiarowe warstwy krystalicznego materiału o nazwie TaIrTe4, stworzonego z tantalu, irydu i telluru, były przedmiotem zainteresowania zespołu naukowców z BC, MIT, Uniwersytetu Harvarda, UCLA, Texas A&M, Uniwersytetu Tennessee, Singapurskiego Uniwersytetu Technologicznego Nanyang, Chińskiej Akademii Nauk i Japońskiego Narodowego Instytutu Materiałoznawstwa.
Każda warstwa ma mniej niż 1 nanometr grubości – to ponad 100 000 razy cieńsza niż kosmyk ludzkich włosów. Warstwy te lub „płatki” zostały ostrożnie oderwane od większego kryształu przy użyciu prostej metody obejmującej przezroczystą taśmę klejącą, technikę uhonorowaną Nagrodą Nobla, szeroko stosowaną w materiałoznawstwie.
„Nasze badanie miało na celu zrozumienie, w jaki sposób te materiały przewodzą prąd” – powiedział Ma. „Biorąc pod uwagę niewielki rozmiar tych materiałów, zastosowaliśmy zaawansowane techniki nanofabrykacji, w tym fotolitografię i litografię wiązką elektronów, w celu ustanowienia kontaktów elektrycznych w rozmiarze nano”.
Ma powiedział, że głównym celem projektu było przetestowanie teoretycznych przewidywań, które sugerują, że najcieńsza warstwa TaIrTe4 działa jako dwuwymiarowy izolator topologiczny – znany również jako kwantowy izolator spinowy Halla – nowy materiał, w którym jego wnętrze jest izolujące, a energia elektryczna przepływa wzdłuż jego granic bez żadnych strat energii. Ta unikalna kombinacja sprawia, że materiały te znajdują się w centrum zainteresowania naukowców próbujących opracować przyszłe generacje energooszczędnych urządzeń elektronicznych.
Poprzez manipulację określonymi parametrami – zwanymi napięciami bramki – zespół znalazł przejście TaIrTe4 między dwoma różnymi stanami topologicznymi, powiedział Ma. W obu przypadkach materiał wykazuje zerową przewodność elektryczną w swoim wnętrzu, podczas gdy jego granice pozostają przewodzące. Dzięki systematycznym badaniom eksperymentalnym i teoretycznym ustaliliśmy, że te dwa stany topologiczne mają różne pochodzenie.
Odkrycia, które przekroczyły przewidywania teoretyczne, zaskoczyły naukowców.
„Zazwyczaj dodanie elektronów do materiału zwiększa jego przewodnictwo ze względu na większą liczbę nośników ładunku lub energii elektrycznej” – powiedział Ma. „Początkowo nasz system zachowywał się zgodnie z oczekiwaniami i stawał się bardziej przewodzący wraz z dodawaniem elektronów. Jednak po przekroczeniu pewnego punktu, dodanie większej liczby elektronów nieoczekiwanie ponownie zmieniło wnętrze w izolację, z przewodnictwem elektrycznym tylko na granicach i bez strat energii, co jest dokładnie ponownie topologiczną fazą izolacyjną, tak jak w punkcie początkowym, gdy wnętrze nie ma elektronów. To przejście do drugiej topologicznej fazy izolacyjnej jest całkowicie nieoczekiwane”.
Ma powiedział, że przyszłe prace nad odkryciem obejmują współpracę z grupami wykwalifikowanymi w innych specjalistycznych technikach, takich jak sondy do obrazowania w nanoskali, w celu dalszego zrozumienia nieoczekiwanego zachowania.
„Skupimy się również na udoskonaleniu jakości naszego materiału, aby poprawić i tak już imponujące przewodnictwo topologiczne bez rozpraszania” – powiedział Ma. „Co więcej, planujemy zbudować heterostruktury oparte na tym nowym materiale, aby odblokować jeszcze bardziej intrygujące zachowania fizyczne”.
W Boston College Ma współpracował z profesorami fizyki Kennethem Burchiem i Ziqiangiem Wangiem; pracownikami University Clean Room; post-docami BC Jianem Tangiem, Zumengiem Huangiem i Zhe Sunem; absolwentami Thomasem Siyuanem Dingiem, Michaelem Geiwitzem, Mohamedem Shehabeldinem, Vsevolodem Belosevichem i Yipingiem Wangiem; oraz Zihanem Wangiem, wizytującym badaczem studiów licencjackich.
[ad_2]