Forskning som leds av universiteten i St Andrews och Tokyo avslöjar en ny förståelse för hur man skapar topologiska elektroniska tillstånd i fasta ämnen som kan driva på utvecklingen av förbättrade material för snabba och energieffektiva elektroniska enheter. Fynden kan leda till nya typer av datorchips som kan vara mycket kraftfullare än de som finns i dagens datorer och smarta telefoner.

Det sätt på vilket elektroner beter sig inuti ett fast ämne styrs av dess elektroniska struktur, ett sammanflätat nätverk av "band" som definierar tillåtna energier och momenta för elektroner i det fasta ämnet. Om rätt typ av band går över, detta kan ge upphov till intressanta, och potentiellt extremt användbara, materialens fysiska egenskaper. Till exempel, man insåg nyligen att isolerade beröringspunkter för dessa band kan stabiliseras av vissa kristallina symmetrier, skapa så kallade Dirac fermioner i bulk elektronisk struktur. Detta gör att elektroner i huvuddelen av kristallen kan bete sig som om de vore masslösa partiklar, effektivt en bulkanalog av det atomtunna materialet grafen. Förutom att vara en spännande lekplats för att studera grundläggande begrepp om partiklar i fysik, detta kan leda till ultrahög rörlighet för laddningsbärare, en egendom som kan användas för att göra extremt bra ledare.

Om korsningen inte är skyddad, ett annat spännande tillstånd som kallas "topologisk isolator" kan stabiliseras. Här, huvuddelen av materialet beter sig på samma sätt som en vanlig elektrisk isolator, men dess yta stöder så kallade 'topologiska yttillstånd'-ytterligare band som bildar skyddade korsningspunkter som endast innehåller elektroner lokaliserade till materialytan. Praktiskt sett, dessa yttillstånd ger ett ledande skal runt materialmassan, som kan förbli intakta även om materialet har defekter eller skador. En elektronisk isolator kan därför omvandlas till en bra ledare vid dess yta, med potentiella tillämpningar i föreslagna system för elektronik som utnyttjar elektronens snurrning samt dess laddning.

Med tanke på både det grundläggande och praktiska intresset för sådana system, det har gjorts enorma ansträngningar nyligen för att identifiera föreningar där dessa typer av tillstånd kan hittas. Att utveckla en uppsättning vägledande principer för att uppnå detta, ett internationellt team av forskare från Storbritannien, Asien och Europa har kombinerat detaljerad teoretisk modellering med toppmoderna experimentella studier. Deras fynd, publicerad i tidningen Naturmaterial (27 november), visa en mycket allmän mekanism för att generera flera uppsättningar topologiska yttillstånd och tredimensionella Dirac fermioner alla inom samma material. Forskarna fann bevis för dessa i sex separata föreningar från familjen av skiktade övergångsmetalldikalkogenider, ett materialsystem som har studerats extremt mycket på grund av det stora utbudet av nya fysiska faser som de är värd för, från okonventionella halvledare till supraledare, och deras potential att fungera som nästa generations grafenanaloger.

Saeed Bahramy, vid University of Tokyo och RIKEN Center i Japan, som ledde det teoretiska arbetet, kommenterade:"Övergångsmetalldykalkogenider är mest kända för sina unika elektroniska, spintronic och valleytronic egenskaper. Att veta att de i sig kan vara värd för sådana nya topologiska faser skapar nya möjligheter för realisering av nästa generations elektroniska enheter med avancerade funktioner."

Nyckeln till forskarnas resultat är en skillnad i hur elektroner kan röra sig längs olika riktningar av kristallen, i kombination med en enkel rotationssymmetri som kan skydda vissa bandkorsningar. Studien visade hur detta naturligt leder till bildandet av staplade uppsättningar av topologiska yttillstånd och 3-D Dirac-fermioner i övergångsmetalldikalkogeniderna. Fynden bör inte begränsas till detta materialsystem. Liknande startförhållanden finns i många olika material, höja den spännande utsikten att de funktioner som avslöjas här är i själva verket betydligt vanligare än vanligtvis antas.

Oliver Clark, från School of Physics and Astronomy vid University of St Andrews, som ledde det experimentella arbetet, tillägger:"Antalet ingredienser du behöver för att dessa funktioner ska kunna uppstå i ett visst material är mycket litet, och var och en av dem mycket vanliga. Detta utökar därför drastiskt utbudet av möjliga material där du kan förvänta dig att hitta dessa topologiska signaturer."

Papperets allestädes närvarande bildning av bulk Dirac-kottar och topologiska yttillstånd från ett enda orbitalgrenrör i övergångsmetalldikalkogenider av MS Bahramy, O J Clark et al publiceras i tidskriften Naturmaterial .