När du använder röntgenstrålar genererade av Advanced Light Source (ALS), en synkrotronanläggning vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), att studera ett vismutinnehållande termoelektriskt material som kan omvandla värme till elektricitet, fysikern M. Zahid Hasan från Princeton University såg att något stör den förväntade synen på elektroners beteende inuti materialet.

Att veta hur elektroner rör sig inom detta material sökte man som en nyckel för att dechiffrera hur det fungerade, så denna störning-som han och hans team observerade för mer än ett decennium sedan under ett experiment med en röntgenbaserad teknik som kallades ARPES (vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi)-var ett problem ... till en början.

"Sedan 2004 har Jag var engagerad i denna forskning och letade efter en bättre förståelse av vismutbaserade termoelektriska material, bland annat, sa Hasan.

Omkring 2007, efter att ha genomfört fler röntgenförsök på ALS och andra synkrotroner, och efter att ha fått lite förståelse för teorin relaterad till hans lags observationer, det skulle bli klart för Hasan att detta hinder faktiskt var en upptäckt:En som skulle utlösa en revolution inom materialforskning som fortsätter idag, och det kan så småningom leda till nya generationer av elektronik och kvantteknik.

Topologisk materieforskning är nu ett blomstrande forskningsområde vid ALS, med flera anställda som ägnar sig åt att stödja röntgentekniker som till stor del fokuserar på dess egenskaper.

"Sedan 2005 har något på ytan irriterade mig ganska mycket, sa Hasan, en fysikprofessor i Princeton som i slutet av 2016 blev besökande fakultetsmedlem vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en besökande Miller -professor vid UC Berkeley. "Jag kunde inte bli av med yttillstånden."

Tillbaka i Princeton, Hasan inledde ett samtal med en fysikprofessor, Duncan Haldane, och han talade också med Charles Kane, en fysikprofessor vid det angränsande universitetet i Pennsylvania, för deras kollektiva teoretiska insikt om yteffekterna han såg i vissa vismutinnehållande material. "Då var jag inte medveten om de teoretiska förutsägelserna."

De diskuterade teoretiskt arbete, en del av det går flera decennier tillbaka, som hade utforskat bisarra och fjädrande "topologiska" tillstånd där elektroner kunde röra sig på ytan av ett tunt material med nästan inget motstånd - som i en traditionell superledare men med en annan mekanism.

Det teoretiska arbetet gav liten aning om hur man hittar effekterna i de material som uppvisar detta fenomen, fastän. Så Hasan gav sig ut på en väg som gick in i kvantteorins fält, partikelfysik, och komplex matematik.

"Jag var tvungen att översätta all abstrakt matematik till dessa experiment, "sa han." Det var som att översätta från ett främmande språk. "

Blinka fram till oktober 2016, och den här gången beskrev Haldane sitt tidiga teoretiska arbete under en Nobelprispresskonferens. Haldane delade ut Nobelpriset i fysik 2016 med David Thouless vid University of Washington (tidigare postdoktor vid Berkeley Lab), och J. Michael Kosterlitz från Brown University för deras arbete med "teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia."

Haldane hade sagt vid tillkännagivandet av Nobelpriset, "Jag skrev i den första artikeln att det är osannolikt att det är något någon kan göra." Hans arbete, han sa, var en "sovhytt" som "satt som en intressant leksaksmodell under mycket lång tid - ingen visste riktigt vad han skulle göra med den."

Det som hjälpte till att väcka den "leksaksmodellen" till liv var senare teorier av Kane och medarbetare, och innovativa ARPES -studier vid ALS och andra synkrotroner som direkt undersökte exotiska topologiska tillstånd i vissa material.

Synkrotroner som ALS har dussintals strållinjer som producerar fokuserade röntgenstrålar och andra typer av ljusstrålar för en mängd olika experiment som utforskar egenskaperna hos exotiska material och andra prover i små skalor, och ARPES ger ett fönster till materialens elektronegenskaper.

Nobelkommittén, i dess stödmaterial för priset, hade citerat tidiga experiment av Hasans team vid ALS på material som uppvisar topologiska isoleringsfaser. En topologisk isolator fungerar som en elektrisk ledare på ytan och en isolator (utan elektriskt flöde) inuti.

Zahid Hussain, divisionens ställföreträdare vid ALS sa:"Hasan är en exceptionell forskare med en djup förståelse för både teori och experiment. Han är anledningen till att detta blev experimentellt synligt. Ett experiment gjorde det."

Hasans arbete gav en tidig demonstration av en 3D-topologisk isolator, till exempel.

I dessa material, elektronrörelsen är relativt robust, och är immun mot många typer av föroreningar och missbildningar. Forskare har hittat exempel på topologiska egenskaper i material även vid rumstemperatur.

Detta är en kritisk fördel jämfört med så kallade högtemperatur superledare, som måste kylas till extrema temperaturer för att uppnå ett nästan motståndsfritt flöde av elektroner.

Med topologiska material, elektronerna uppvisar unika mönster i en egenskap som kallas elektronspinn som är analog med en kompassnål som pekar uppåt eller nedåt, och denna egenskap kan förändras baserat på elektronens väg och position i ett material.

En potentiell framtida applikation för elektronernas spinnegenskaper i topologiska material är spintronics, ett framväxande fält som försöker kontrollera spinnet på begäran för att överföra och lagra information, ungefär som nollorna och sådana i traditionellt datorminne.

Spinn kan också utnyttjas som informationsbärare i kvantdatorer, som kan tänkas utföra exponentiellt fler beräkningar av en viss typ på kortare tid än konventionella superdatorer.

Jonathan Denlinger, en personalvetare i den vetenskapliga supportgruppen vid ALS, sade genombrottstudierna av material med topologiskt beteende ledde till en snabb förskjutning i fokus på materialets ytegenskaper. Forskare hade historiskt sett varit mer intresserade av elektroner inom "massan, "eller inuti material.

Hasans grupp använde tre ALS -strålar - MERLIN, 12.0.1, och 10.0.1 — i banbrytande ARPES -studier av topologisk materia. Hasan var en ledare för förslaget som ledde till byggandet av MERLIN i början av 2000-talet.

Denlinger, och andra ALS-personalvetare Alexei Fedorov och Sung-Kwan Mo, arbeta vid dessa ALS -strållinjer, som är specialiserade på ARPES och en relaterad variant som kallas spin-resolved photoelectronspektroskopi. Teknikerna kan ge detaljerad information om hur elektroner reser i material och även om elektronernas rotationsorientering.

ARPES beamlines vid ALS är fortfarande mycket efterfrågade för topologisk forskning. Fedorov sa, "Dessa dagar, nästan varje förslag som skickas till vår strålning på ett eller annat sätt behandlar topologisk materia. "

Jakten på upptäckter av nya topologiska ämnen vid ALS kommer också att förstärkas av en strålning som kallas MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) som öppnades för användare förra året och kommer att hjälpa till att visualisera exotiska ordnade strukturer bildade i vissa topologiska material.

"ALS-U, en planerad uppgradering av ALS, bör förbättra och förbättra topologiska studier med hjälp av ALS, "Sa Mo." Det gör att vi kan fokusera ner till en mycket liten plats, "vilket kan avslöja mer detaljer i elektronbeteendet för topologisk materia.

Förbättrad röntgenprestanda kan hjälpa till att identifiera några topologiska material som tidigare förbises, och för att bättre skilja och klassificera deras egenskaper, Sa Hasan.

Hasans tidiga arbete inom topologisk fråga, inklusive topologiska isolatorer, ledde honom till upptäckten av en tidigare teoretiserad masslös partikel som kallas Weyl fermion i topologiska semimetaller, och han håller nu på att ta fram ett relaterat experiment som han hoppas kommer att efterlikna perioden i det tidiga universum där partiklar började ta massa.

Denlinger, Fedorov, och Mo förbereder sig för fler studier av topologisk materia, och når ut till möjliga samarbetspartners i Berkeley Lab och det globala vetenskapliga samfundet.

Nanoskala material visar mycket lovande för topologiska materialapplikationer, och termoelektriker - samma material som kan överföra värme till el och vice versa, och det ledde till den första insikten om topologiska ämnen i röntgenförsök-borde se prestandaförbättringar på kort sikt tack vare det febriga tempo inom FoU på området, Noterade Fedorov.

Hasan, för, sa att han är upphetsad över framsteg inom området. "Vi är mitt i en topologisk revolution inom fysiken, Säkert, " han sa.