Forskare vid Princeton, Yale, och Zürichs universitet har föreslagit ett teoribaserat tillvägagångssätt för att karakterisera en klass av metaller som har exotiska elektroniska egenskaper som kan hjälpa forskare att hitta andra, liknande material.

Publicerad i tidskriften Fysisk granskning X , studien beskrev en ny klass av metaller baserat på deras symmetri och en matematisk klassificering som kallas ett topologiskt tal, vilket är förutsägande för speciella elektroniska egenskaper. Topologiska material har väckt intensivt forskningsintresse sedan början av 2000 -talet som kulminerade i förra årets Nobelpris i fysik som tilldelades tre fysiker, inklusive Princeton -professor F. Duncan Haldane, för deras teoretiska upptäckter inom detta område.

"Topologisk klassificering är ett mycket generellt sätt att se på materialens egenskaper, "sade Lukas Muechler, en doktorand i Princeton i laboratoriet hos professor Roberto Car och huvudförfattare till artikeln.

Ett populärt sätt att förklara denna abstrakta matematiska klassificering innefattar frukostartiklar. I topologisk klassificering, munkar och kaffekoppar är likvärdiga eftersom de båda har ett hål och kan smidigt deformeras till varandra. Samtidigt kan inte munkar deformeras till muffins vilket gör dem ojämlika. Antalet hål är ett exempel på en topologisk invariant som är lika med munken och kaffekoppen, men skiljer mellan munken och muffinen.

"Tanken är att du inte riktigt bryr dig om detaljerna. Så länge två material har samma topologiska invarianter, vi kan säga att de är topologiskt ekvivalenta, " han sa.

Muechler och hans kollegors intresse för den topologiska klassificeringen av denna nya metallklass väcktes av en märklig upptäckt i grannlaboratoriet till professor Robert Cava i Princeton. När du letar efter supraledning i en kristall som kallas WTe2, Cava -labbet fann istället att materialet kontinuerligt kunde öka sitt motstånd som svar på allt starkare magnetfält - en egenskap som kan användas för att bygga en sensor av magnetfält.

Ursprunget till denna fastighet var, dock, mystisk. "Detta material har mycket intressanta egenskaper, men det hade inte funnits någon teori kring det, "Sa Muechler.

Forskarna övervägde först arrangemanget av atomerna i WTe2 -kristallen. Mönster i arrangemanget av atomer är kända som symmetrier, och de faller i två fundamentalt olika klasser - symmorfa och osymmorfa - som leder till stora skillnader i elektroniska egenskaper, såsom transport av ström i ett elektromagnetiskt fält.

Medan WTe2 består av många lager av atomer staplade på varandra, Bilens team fann att ett enda lager av atomer har en särskild osymmorfisk symmetri, där atomarrangemanget är totalt oförändrat om det först roteras och sedan översätts med en bråkdel av gitterperioden (se figur).

Efter att ha fastställt symmetrin, forskarna matematiskt karakteriserade alla möjliga elektroniska tillstånd med denna symmetri, och klassificerade de tillstånd som smidigt kan deformeras till varandra som topologiskt ekvivalenta, precis som en munk kan deformeras till en kopp.

Från denna klassificering, de fann att WTe2 tillhör en ny klass av metaller som de myntade osymmorfa topologiska metaller. Dessa metaller kännetecknas av ett annat elektronantal än de osymmorfa metaller som tidigare har studerats.

I icke -symmorfa topologiska metaller, de strömbärande elektronerna beter sig som relativistiska partiklar, dvs partiklar som färdas med nästan ljusets hastighet. Den här egenskapen är inte lika känslig för föroreningar och defekter som vanliga metaller, vilket gör dem till attraktiva kandidater för elektroniska enheter.

Den abstrakta topologiska klassificeringen fick också forskarna att föreslå några förklaringar till några av de enastående elektroniska egenskaperna hos bulk WTe2, viktigast av allt är den perfekta ersättningen, vilket betyder att den har lika många hål och elektroner. Genom teoretiska simuleringar forskarna fann att denna egenskap kunde uppnås i den tredimensionella kristallina staplingen av WTe2-monoskikten, vilket var ett överraskande resultat, Sa Muechler.

"Vanligtvis i teoriforskning finns det inte mycket som är oväntat, men detta dök bara upp, "sa han." Denna abstrakta klassificering ledde oss direkt till att förklara denna egenskap. I det här sammanhanget, Det är ett mycket elegant sätt att se på denna förening och nu kan du faktiskt förstå eller designa nya föreningar med liknande egenskaper. "

De senaste fotoemissionsexperimenten har också visat att elektronerna i WTe2 absorberar högerhänta fotoner annorlunda än de skulle vänsterhänta fotoner. Teorin som forskarna formulerade visade att dessa fotoemissionsexperiment på WTe2 kan förstås utifrån de topologiska egenskaperna hos den nya metalklassen.

I framtida studier, teoretikerna vill testa om dessa topologiska egenskaper också finns i atomtunna lager av dessa metaller, som kan exfolieras från en större kristall för att göra elektroniska enheter. "Studiet av detta fenomen har stora konsekvenser för elektronikindustrin, men det är fortfarande i sina spädbarnsår, "Sa Muechler.