Det här är berättelsen om ett unikt material – gjort av en enda förening, den leder elektroner på olika sätt på sina olika ytor och leder inte alls i mitten. Det är också historien om tre forskargrupper – två vid Weizmann Institute of Science och en i Tyskland, och det unika band som har bildats mellan dem.

Materialet tillhör en grupp av material som kallas topologiska isolatorer, upptäcktes för ett och ett halvt decennium sedan. Dessa material leder på sina ytor och isolerar i sin inre bulk. Men de två egenskaperna är oskiljaktiga:Klipp materialet, och den nya ytan kommer att leda, huvuddelen förblir isolerande.

För ungefär fem år sedan, Dr. Nurit Avraham började som stabsforskare i den nya gruppen av Dr. Haim Beidenkopf från institutets fysikavdelning för kondenserad materia. Runt den tiden, hon och Beidenkopf träffade Prof. Binghai Yan när han hade sitt första vetenskapliga besök på Weizmann-institutet. Då, Yan arbetade som juniorgruppledare i gruppen av prof. Claudia Felser, en materialvetare som utvecklade nya typer av topologiska material i sitt labb vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Dresden. Beidenkopf och hans grupp är specialiserade på att klassificera och mäta dessa material på skalan av enskilda atomer och vägar för enskilda elektroner, medan Yan vände sig till teorin – förutspådde hur dessa material skulle bete sig och utarbetade de matematiska modellerna som förklarar deras ovanliga beteende.

Avraham och Beidenkopf var intresserade av att avslöja egenskaperna hos en speciell typ av topologisk isolator där den kemiska strukturen är organiserad i lager. Hur skulle skikten påverka hur elektroner leds över materialets yta? Teoretiskt sett, staplingsskikt av 2-D topologisk isolator förväntades bilda en 3-D topologisk isolator i vilken några av ytorna leder och andra är isolering. Yan föreslog att de skulle arbeta med ett nytt material som han förutspått och senare utvecklat i Felsers labb. Snart, Weizmann- och Max Planck-grupperna började samarbeta.

Avraham ledde projektet, få prover på materialet från Felsers labb, utföra mätningarna, och arbeta med Yan för att se om de teoretiska förutsägelserna skulle bestämmas experimentellt. När samarbetet fördjupades, Beidenkopf och Avraham fick Fysiska fakulteten att bjuda in Yan igen till institutet, och detta besök ledde så småningom till att Yan lämnade Tyskland och flyttade sin familj till Rehovot för att ta en position vid institutets fysikavdelning för kondenserad materia. "Det beslutet var en vändpunkt som skulle sätta mig på min nuvarande karriärväg, "säg Yan.

Under de kommande åren, Beidenkopf, Avraham, Yan och Felser skulle samarbeta i flera forskningsprojekt, utforska egenskaperna hos flera klasser av topologiska material. Men att förstå detta speciella material - en förening av vismut, tellur och jod — skulle visa sig vara ett långsiktigt projekt. Till att börja med, Yan analyserade materialets bandstruktur – med andra ord, tillstånden elektroner "tillåts" att bebo. När banden blir korsade i bulken i ett tillstånd som kallas bandinversion, de hindrar elektroner från att röra sig inuti, men gör det möjligt för dem att röra sig på ytan. Denna "projektion" av ett tillstånd som uppstår i huvuddelen av ett material på ytan är det som ger topologiska material deras speciella egenskaper.

Avraham och Beidenkopf arbetade med prover som hade kluvits, exponerar fräscha ytor ur den skiktade strukturen. De använde ett scanning tunneling microscope (STM) i sitt labb för att spåra elektrontätheten i de olika delarna av materialet. Teorin förutspådde att ytmätningarna skulle avslöja ett material som beter sig som en svag topologisk isolator, är således metalliskt på kanterna och isolerande på över- och underytorna. Svaga topologiska isolatorer är en klass av topologiska material som tidigare hade förutspåtts, men ännu inte bevisat experimentellt, så gruppen hoppades kunna avslöja sådana karakteristiska egenskaper på kanternas ytor. Forskarna gjorde, verkligen, finner att materialet fungerade som en svag topologisk isolator på sina kluvna sidor. Men på toppen och botten av deras prover, gruppen hittade bevis som tyder på en stark topologisk isolator, snarare än isolatorn som hade förutspåtts.

Kan detta material inte bara vara isolerande och ledande samtidigt, men uppträda på två olika sätt? När forskarna fortsatte att experimentera, testa materialet med olika metoder och bekräfta deras ursprungliga resultat, de fortsatte att pussla med Yan över de konstiga resultaten. Vid en punkt, säger Avraham, de mätte till och med en ny sats av prover som odlades oberoende av Junior Prof. Anna Isaeva och Dr. Alexander Zeugner vid Technische Universitaet Dresden, bara för att vara säker på att resultaten var generella och inte en oavsiktlig egenskap hos en viss sats av prover.

En del av deras slutliga genombrott, säger Yan, kom från en teoretisk forskningsartikel publicerad av en annan fysikgrupp som gissade hur ett så dubbelt material kunde fungera. Topologiska material klassificeras ibland efter sin symmetri - en egenskap hos materialets atomära struktur. Forskarna letade efter platser på ytorna där sådan symmetri skulle brytas på grund av brister eller ojämnheter på ytan, som, genom att sprida elektroner, skulle påverka egenskaperna på den platsen och framhäva typen av symmetri som skyddar varje topologiskt tillstånd.

Till sist, teori och experiment gick samman för att visa, i en artikel publicerad i Naturmaterial , att materialet är verkligen, två olika typer av topologiska isolatorer i en. De exponerade lagren på de kluvna sidoytorna skapar "stegkanter" som kanaliserar elektronerna in i vissa banor. Medan sidorna skyddas av både tidsomkastning och translationssymmetri, toppen och botten skyddas av kristallin spegelsymmetri, ger upphov till ett metallliknande tillstånd där elektronerna kan röra sig.

Även om denna två-i-ett-kombination gjorde det utmanande att klassificera materialet topologiskt - ett av huvudmålen med sådana mätningar - tror forskarna att andra nya topologiska material kan visa sig ha sådana dubbla egenskaper. Det öppnar möjligheten för tekniska material att ha flera önskade elektriska egenskaper i ett.

"Tekniskt, arbetet var utmanande, men historien, sig, visade sig vara enkelt, " säger Yan.

"Det är också historien om en fantastisk vänskap och vad som händer när man kan ha ett så nära vetenskapligt samarbete, säger Avraham.

"Och allt började med en fråga om en viss typ av material, ", tillägger Beidenkopf.