Forskare vid Tokyo Institute of Technology kontrollerar experimentellt förekomsten av exotiska ytledningslägen i topologiska semimetaller (TSM), material som ligger vid gränsen mellan ledare och isolatorer, genom att utföra spänningsskanningar av dessa yttillstånd på ett tunnfilmsprov av en TSM. Fynden kan bana väg för framtida studier och utnyttjande av sådana ledningstillstånd i förverkligandet av nya, kvanttransportfenomen.

Vi alla är nog bekanta med idén om ledare och isolatorer. Men vad skulle du kalla ett material som kan leda på ytan men isolera på insidan? Fysiker kallar det en 'topologisk isolator' (TI), en term som belyser den geometriska aspekten av dess konstiga ledningsbeteende. Ännu konstigare än TI är "topologiska semimetaller" (TSM) - bisarra material som överskrider gränsen mellan metaller (ledare) och isolatorer.

Även om TI har hittat praktiska tillämpningar tack vare deras ovanliga egenskaper, särskilt i avancerade optoelektroniska enheter, TSM är fortfarande till stor del en nyfikenhet bland materialforskare. "I TI, ytledningslägena kan isoleras från de bulkisolerande tillstånden, i typiska TSM:er som Dirac och Weyl semimetaller, bulk- och yttillstånden vidrör vid punkter som kallas 'Weyl -noder, vilket leder till ett samspel mellan dem, "förklarar docent Masaki Uchida från Tokyo Institute of Technology, Japan, vars forskning är inriktad på topologiska material.

Enligt teoretiska förutsägelser, en intressant konsekvens av ett sådant samspel är bildandet av ett kopplat par elektroniska "Weyl -banor" under ett magnetfält på motsatta ytor av en TSM som kan leda till en ny 2D -kvanttransport. Dock, den experimentella verifieringen av Weyl -banor har, än så länge, förblev utmanande på grund av den till synes bristen på en unik signatur. Nu, en ny studie av ett team av forskare från Japan, ledd av Dr. Uchida, kan ändra allt det.

Publicerad i Naturkommunikation , studien fokuserar på den unika rumsliga fördelningen av Weyl -banorna. Specifikt, forskare genomförde en kartläggning av Weyl-bana "Quantum Hall" (QH) -tillstånd under påverkan av elektriska spänningar applicerade på toppen och bottenytan av ett TSM-prov omfattande en 75 nm tjock film av (Cd _1-x Zn _x ) ₃ Som ₂ . "Nyckelobservationen för att skilja Weyl-banan från en TI-liknande bana är svaret från yttransporten till elektriska fält som tillämpas i en konfiguration med två grindar, "säger Dr Uchida.

Forskare började med att studera filmmotståndets magnetfältberoende vid noll grindspänning vid en temperatur av 3K (270 ° C) och såg till att filmen var tillräckligt tjock för att låta Weyl -banorna bildas. Initialt, bulktransport dominerade ledningen på grund av en hög elektrontäthet. Dock, som forskare tömde elektronerna genom att applicera grindspänningar, Yttransport och dess utveckling till QH -stater blev mer framträdande.

Nästa, forskarna studerade påverkan av grindspänningsskanningar på dessa QH -tillstånd i närvaro av ett starkt magnetfält och observerade ett märkligt randigt mönster i de kartade tillstånden på grund av en modulering i deras elektrontäthet, vilket tyder på närvaron av ett kopplat Weyl -omloppspar!

Forskargruppen är glada över detta fynd. En upphetsad Dr Uchida avslutar, "Vårt arbete som avslöjar rollen som den unika distributionen av Weyl -banor inom kvanttransport kan öppna dörrar för att hitta olika exotiska yttransportfenomen i TSM och kontrollera dem via externa fält och gränssnittsteknik."

Jakten på dessa nya kvantfenomen pågår, med nya och spännande upptäckter bara vara runt hörnet.