Heterostrukturen består av två material, en topologisk isolator (blå och orange atomer) och en trivial isolator (gröna och orange atomer). Varje gränssnitt fäller elektroner (illustreras som kvantvågfunktioner av de röda molnen). I deras arbete, forskarna gjorde olika heterostrukturprover där de kunde kontrollera hur elektronerna tunnlar från gränssnitt till gränssnitt i stapeln, bildar en framväxande, avstämbart endimensionellt kvantgitter. Forskarna upptäckte en framväxande topologisk fas av materia, där det fanns ett elektronmoln i slutet av stapeln utan en parningspartner, bildar ett topologiskt skyddat sluttillstånd som är nära besläktat med den berömda Su-Schrieffer-Heeger teoretiska modellen av ett dimensionellt topologiskt gitter. Upphovsman:I. Belopolski, Princeton Universitet
Ett internationellt team av forskare har skapat en ny struktur som gör det möjligt att ställa in topologiska egenskaper på ett sådant sätt att dessa unika beteenden slås på eller av. Strukturen kan öppna möjligheter för nya undersökningar av egenskapen hos topologiska tillstånd av materia.
"Detta är en spännande ny riktning inom topologisk forskning, "sa M. Zahid Hasan, professor i fysik vid Princeton University och en utredare vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien som ledde studien, som publicerades 24 mars i tidningen Vetenskapliga framsteg . "Vi konstruerar nya topologiska tillstånd som inte förekommer naturligt, öppnar upp många exotiska möjligheter för att kontrollera beteendet hos dessa material. "
Den nya strukturen består av alternerande lager av topologiskt och normalt, eller trivialt, isolatorer, en arkitektur som gör att forskarna kan slå på eller av strömmen genom strukturen. Möjligheten att styra strömmen föreslår möjligheter för kretsar baserade på topologiska beteenden, men kanske ännu viktigare presenterar en ny konstgjord kristallgitterstruktur för att studera kvantbeteenden.
Teorier bakom materiens topologiska egenskaper var föremål för Nobelpriset i fysik 2016 tilldelat Princeton Universitys F. Duncan Haldane och två andra forskare. En klass av materia är topologiska isolatorer, som är isolatorer på insidan men låter strömmen flöda utan motstånd på ytorna.
I den nya strukturen, gränssnitt mellan skikten skapar ett endimensionellt galler där topologiska tillstånd kan existera. Gitterets endimensionella natur kan tänkas som om man skulle skära i materialet och ta bort en mycket tunn skiva, och titta sedan på den tunna kanten av skivan. Detta endimensionella galler liknar en kedja av konstgjorda atomer. Detta beteende är framträdande eftersom det bara uppstår när många lager staplas ihop.
Genom att ändra lagrenas sammansättning, forskarna kan kontrollera hoppningen av elektronliknande partiklar, kallas Dirac fermioner, genom materialet. Till exempel, genom att göra trivialisolatorlagret relativt tjockt - fortfarande bara cirka fyra nanometer - kan Dirac fermioner inte färdas genom det, vilket gör hela strukturen effektivt till en trivial isolator. Dock, om trivialisolatorskiktet är tunt - ungefär en nanometer - kan Dirac fermioner tunnla från ett topologiskt lager till nästa.
För att skapa de två materialen, Princeton -teamet arbetade med forskare vid Rutgers University under ledning av Seongshik Oh, docent i fysik, som i samarbete med Hasan och andra visade 2012 i arbete publicerat i Fysiska granskningsbrev att tillsätta indium till en topologisk isolator, vismutselenid, fick det att bli en trivial isolator. Innan dess vismut selenid (Bi2Se3) teoretiskt och experimentellt identifierades som en topologisk isolator av Hasans team som publicerades i Natur År 2009.
"Vi hade visat att beroende på hur mycket indium du lägger till, det resulterande materialet hade denna fina avstämningsbara egenskap från trivial till topologisk isolator, "Åh sa, med hänvisning till 2012 års studie.
Doktoranderna Ilya Belopolski från Princeton och Nikesh Koirala från Rutgers kombinerade två toppmoderna tekniker med ny instrumentutveckling och arbetade tillsammans med att lägga på dessa två material, vismutselenid och indiumvismutselenen, för att utforma den optimala strukturen. En av utmaningarna var att få ihop de två materialens gitterstrukturer så att Dirac -fermionerna kan hoppa från ett lager till nästa. Belopolski och Suyang Xu arbetade med kollegor vid Princeton University, Lawrence Berkeley National Laboratory och flera institutioner för att använda högupplöst vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi för att optimera beteendet hos Dirac fermioner baserat på en tillväxt till mätning av feedback-loop.
Även om det inte finns några topologiskt liknande tillstånd naturligt, forskarna noterar att analogt beteende kan hittas i en kedja av polyacetylen, som är en känd modell för endimensionellt topologiskt beteende som beskrivs av Su-Schrieffer-Heegers teoretiska modell från 1979 av en organisk polymer.
Forskningen presenterar ett angrepp mot tillverkning av artificiella topologiska material, Sa Hasan. "I naturen, oavsett material, topologisk isolator eller inte, du har fastnat för det, "Sade Hasan." Här ställer vi in systemet på ett sätt som vi kan bestämma i vilken fas det ska existera; vi kan utforma det topologiska beteendet. "
Möjligheten att styra färden på ljusliknande Dirac fermioner kan så småningom leda framtida forskare att utnyttja det motståndslösa strömflödet som ses i topologiska material. "Dessa typer av topologiskt avstämbara heterostrukturer är ett steg mot applikationer, göra enheter där topologiska effekter kan användas, Sa Hasan.
Hasan -gruppen planerar att ytterligare utforska sätt att justera tjockleken och utforska de topologiska tillstånden i samband med quantum Hall -effekten, supraledning, magnetism, och Majorana och Weyl fermion tillstånd av materia.
