Nobelpriset för fysik 2016 delades ut för teorin om topologisk materia. Topologiska isolatorer är nya material med speciella elektroniska egenskaper och är av stort grundläggande och applikationsorienterat intresse. Ändå, fysiker har brottats med ett tio år gammalt pussel där resultaten från de två bästa metoderna för att undersöka sina elektroniska tillstånd inte håller med. Forskare från Amsterdam, inklusive två FOM-finansierade doktorander, med samarbetspartners i Frankrike, Schweiz och Tyskland vet nu exakt varför.

Topologiska isolatorer är konstiga saker. Huvuddelen av en sådan kristall är isolerande och kan inte bära elektrisk ström, men ytorna på samma kristall leder. Dessa nya material är av stort grundläggande intresse men är också mycket lovande för ett antal framtida tillämpningar inom speciella typer av elektronik och kvantberäkning, och så är de föremål för en omfattande fysikforskning. Betydelsen av topologiska material betonades förra året med tilldelningen av Nobelpriset för utveckling av grundläggande teorier som beskriver existensen och beteendet av topologisk materia.

Det finns två kraftfulla experimentella metoder för att undersöka elektronernas beteende - partiklarna som bär elektrisk ström - på ytan av en topologisk isolator. Det första handlar om att skicka en ström genom systemet i närvaro av ett mycket stort magnetfält, och är känd som magnetotransport. Det andra innebär användning av en ultraviolett ljusstråle för att undersöka kristallens yta. I detta fall, energin från en ljuspartikel kan absorberas av en elektron och på så sätt kan de nära ytan fly från kristallen och analyseras. Forskare kan utnyttja denna fotoelektriska effekt för att samla värdefull information om de elektroniska egenskaperna på ytan av en topologisk isolator, platsen där all handling är. Denna typ av experiment kallas fotoemission.

Sedan mer än 10 år har forskare har blivit förvånade över varför dessa två experiment är helt oense när de appliceras på topologiska isolatorer. Nu forskare från Amsterdam, inklusive två FOM-finansierade doktorander, tillsammans med samarbetspartners i Frankrike, Schweiz och Tyskland fick nyligen en glimt av anledningarna till varför. Hypotesen? Den allra första UV -ljusblixten, krävs för att spela in fotoemissionsdata, själv förändrar den elektroniska strukturen vid ytan.

Mängden som beskriver och förklarar hur elektroner i ett fast ämne gör sina saker kallas bandstrukturen. Det kan ses som ett slags vägnät, som kartlägger de tillåtna kombinationerna av energi och våglängd som elektronvågorna kan ha i kristallen. En bit genom en sådan bandstruktur kan enkelt visas som en 2-D-bild som den på bilderna som visas här. Denna typ av ögonblicksbild innehåller värdefull information om den elektroniska strukturen hos en topologisk isolator, och i synnerhet energispositionen för övergångspunkten för de två grenarna som är synliga i bandstrukturen. Denna specialfunktion - markerad med en färgad markör i bilderna - kallas Dirac -punkten, uppkallad efter teoretisk fysiker Paul Dirac vars teori först beskrev elektroner som de på ytan av en topologisk isolator.

I vanliga fall, att spela in en bandstrukturbild kostar en minut eller mer. Men här arbetade forskarna hårt för att få ner detta till bara en enda sekund, och bilden till vänster blev resultatet. Dirac -punkten (grön cirkel) kommer vid en energimatchning från magnetotransportdata. Efter bara 20 sekunders UV -exponering, den röda markören i bilden till höger visar att Dirac-punkten, och resten av bandstrukturen med den har glidit ner i energi, långt från det värde som finns i transportförsöken.

Det var redan känt att molekyler som fastnar på ytan av den topologiska isolatorn kan orsaka en nedåtgående förskjutning av Dirac -punkten. Dessa nya experiment kunde avlägsna molekylernas effekt på ytan och UV -ljuset, så forskarna kunde visa att den allra första ljusblixten faktiskt spelar rollen som startpistolen, utlöser en snabb nedåtgående glidning av Dirac -punkten.

Dessa nya resultat är mycket användbara, eftersom fotoemission är ett mycket viktigt experiment inom topologiska material. Men menar de att fotoemission är mogen för soptunnan? Tvärtom! Nu när effekten av UV -ljuset är korrekt förstått, protokoll kan utvecklas för hur fotoemission kan användas på rätt sätt i framtida studier av topologiska isolatorer. Fotoemissionsresultaten och riktlinjerna för förbättrade experimentella förfaranden publicerades i veckan i den ledande (öppna åtkomst) fysikjournalen, Fysisk granskning X .