I en överraskande ny upptäckt, alfa-tenn, vanligen kallad grå plåt, uppvisar en ny elektronisk fas när dess kristallstruktur är ansträngd, placera den i en sällsynt ny klass av 3D-material som kallas topologiska Dirac-halvmetaller (TDS). Endast två andra TDS-material är kända för att existera, upptäcktes så sent som 2013. Alpha-tin ansluter sig nu till denna klass som dess enda enkla element.

Denna upptäckt lovar ny fysik och många potentiella tillämpningar inom teknik. Fynden är Caizhi Xus verk, en doktorand i fysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign, arbetar under U. of I. Professor Tai-Chang Chiang och i samarbete med forskare vid Advanced Light Source vid Lawrence Berkeley National Laboratory och sex andra institutioner internationellt.

TDS uppvisar elektroniska egenskaper som liknar dem hos de nu mycket studerade topologiska isolatorerna (TI) på sina ytor. Ytorna på TI tillåter elektroner att leda fritt som en metall, medan "bulken" eller inredningen beter sig som en isolator. Ytelektronerna beter sig som 2D masslösa spin-polariserade Dirac-fermioner som är robusta mot icke-magnetiska föroreningar, vilket ger potentiella tillämpningar i spintroniska enheter och feltoleranta kvantberäkningar.

Däremot bulkelektronerna i TDS beter sig som masslösa Dirac-fermioner i alla tre dimensioner, vilket leder till ytterligare möjligheter för nya fysiska beteenden.

Xu förklarar, "TDS är av stort intresse för fysiker av kondenserad materia, främst för att de uppvisar ett antal nya fysikaliska egenskaper, inklusive ultrahög bärarmobilitet, jätte linjär magnetresistans, kiral anomali, och nya kvantoscillationer. För det andra, denna klass av material kan realisera många intressanta topologiska faser – under kontrollerade förhållanden, materialet kan genomgå fasövergångar och kan bli en topologisk isolator, en Weyl semimetall, eller en topologisk supraledare."

Tenn har två välkända allotroper:vid 13,2° Celsius och högre, vit plåt, eller beta-tenn, är metallisk. Under den temperaturen, atomstrukturen av tennövergångar, och materialet blir grått tenn, eller alfa-tenn, som är halvmetallisk. I tunna filmer odlade på ett substrat som indiumantimonid (InSb), dock, övergångstemperaturen för tenn går upp till 200°C, vilket innebär att alfa-tenn förblir stabil långt över rumstemperatur.

I vanliga fall, alfa-tenns diamantkubiska kristallstruktur uppvisar en vanlig semimetallisk fas - och materialet har inga vanliga användningsområden för närvarande. Faktiskt, Grått tenn kan vara problematiskt i många applikationer som involverar tenn - det så kallade "plåtpest"-problemet är bildandet av grått tenn som orsakar sönderfall av delar som innehåller vitt tenn.

I deras experiment, Xu et al. skapade en påfrestning på materialet genom att odla alfa-tennprover i lager på ett substrat av ett annat kristallint material, InSb, som har en något annorlunda gitterkonstant.

"Den gallerfelpassning leder till spänning, eller kompression, i alfa-tenn, " Xu fortsätter med att förklara. "Man trodde att töjning skulle öppna ett bandgap i grått tenn och förvandla det till en TI. I några nya studier observerade forskare topologiska yttillstånd i spänt tenn, men de observerade inte det spänningsinducerade bandgapet eftersom de inte kunde komma åt ledningsbandet. I den här studien, vi använde kaliumdopning och kunde med denna enkla metod nå konduktansbandet. Vi kunde se den gaplösa och linjära bandspridningen som är kännetecknet för en Dirac-halvmetall.

"Den här upptäckten är lite oväntad. Jag bestämde mig för att studera materialet på grund av dess kända TI-fas. När jag grävde i de experimentella resultaten och utförde några teoretiska beräkningar, vad jag hittade är att alfa-tenn under en tryckpåkänning inte är en isolator, som man trodde. Det visar sig vara en Dirac-halvmetall. Våra beräkningar visar också att det bara är under en dragpåkänning som alfa-tenn blir en TI."

Chiang tror att dessa fynd kommer att öppna nya forskningsvägar:"Caizhi Xus arbete illustrerar att intressant ny fysik fortfarande kan hittas i enkla vanliga material, som grå plåt, som har varit känt och studerat i decennier."

"Det är tydligt från den här studien att strain engineering kan öppna upp många möjligheter, " Chiang fortsätter. "Min grupp undersöker för närvarande ett annat sätt att applicera påfrestningar, genom att mekaniskt sträcka ett prov. Töjningen kommer att vara enaxlig – endast i en riktning – och den kommer att vara avstämbar, men begränsas av provet brott."

Mänskligheten har utvunnit och använt tenn i legeringar sedan bronsåldern, c. 3000 f.Kr. Före tillkomsten av aluminiumburkar, plåtburkar, som egentligen var stålfodrade med tenn, användes för konservering av mat. Med denna upptäckt, alfa-tenn kan visa sig vara ett mycket användbart material i framtida teknologier.

Xu delar, "Möjliga tillämpningar av alfa-tenn som en topologisk Dirac-halvmetall kan inkludera att dra nytta av dess höga bärarmobilitet för att generera ultrasnabba elektroniska enheter. Dessutom, det gigantiska magnetomotståndet kan vara användbart för att utveckla ultrakompakta lagringsenheter, som datorns hårddiskar.

"Vidare, detta material kan vara en plattform för ytterligare grundforskning relaterad till optiska egenskaper, eller att transportera fastigheter, inklusive supraledning. Det finns till och med potential att det skulle kunna användas som en plattform för att realisera Majorana-fermioner. Jag tror att vårt nya fynd kommer att vara av intresse för många fysiker."

Dessa resultat publiceras den 4 april, 2017 Fysiska granskningsbrev , i artikeln "Elemental topological Dirac semimetal α-Sn on InSb."