Fysiker på BESSY II har undersökt en klass av material som uppvisar egenskaper hos topologiska isolatorer. Under dessa studier, de upptäckte en övergång mellan två olika topologiska faser, varav en är ferroelektrisk, betyder en fas i materialet som uppvisar spontan elektrisk polarisering och kan vändas av ett externt elektriskt fält. Detta kan också leda till nya applikationer som att byta mellan olika konduktiviteter.

HZB -forskarna studerade kristallina halvledarfilmer gjorda av bly, tenn- och selenlegering (PbSnSe) som dopades med små mängder av elementet vismut. Dessa halvledare tillhör en ny klass av material som kallas topologiska isolatorer, material som leder mycket bra på sina ytor medan de beter sig som isolatorer internt. Doping med 1 till 2 procent vismut gjorde att de kunde observera en ny topologisk fasövergång. Provet ändras till en viss topologisk fas som också uppvisar ferroelektricitet. Detta innebär att ett externt elektriskt fält snedvrider kristallgitteret, medan omvänt, mekaniska krafter på gallret kan skapa elektriska fält.

Effekten kan användas för att utveckla ny funktionalitet, vilket också är av intresse för potentiella applikationer. Ferroelektriska fasförändringsmaterial används i DVD-skivor och flashminne, till exempel. En elektrisk spänning förskjuter atomer i kristallen, omvandla det isolerande materialet till ett metalliskt.

Vismutdopningen i PbSnSe -filmerna som undersöktes vid HZB fungerade som en störning. Antalet elektroner i vismut passar inte bra i det periodiska arrangemanget av atomer i PbSnSe -kristallen. "Små förändringar i atomstrukturen ger upphov till fascinerande effekter i denna materialklass, "säger HZB-forskaren Dr. Jaime Sánchez-Barriga, huvudutredare som samordnar projektet.

Efter detaljerade analyser av mätningarna, forskarna drog slutsatsen att vismutdopningen orsakar en ferroelektrisk snedvridning i gallret som också förändrar elektronernas tillåtna energinivåer. "Detta problem höll oss förbryllade under flera stråltider tills vi reproducerade de vetenskapliga resultaten på en helt ny uppsättning prover, "säger Sánchez-Barriga." Potentiella tillämpningar kan uppstå genom ferroelektriska faser-sådana som man inte har tänkt på tidigare. Förlustfri ledning av elektricitet i topologiska material kan slås på och av vid behov av elektriska pulser eller mekanisk belastning, "säger professor Oliver Rader, leda avdelningen Material för grön spintronik på HZB.