Ett internationellt team på BESSY II under ledning av professor Oliver Rader har visat att de förbryllande egenskaperna hos samariumhexaborid inte härrör från att materialet är en topologisk isolator, som tidigare föreslagits. Teoretiskt och inledande experimentellt arbete hade visat att detta material, som blir en Kondo -isolator vid mycket låga temperaturer, hade också egenskaperna hos en topologisk isolator. Teamet har nu publicerat en övertygande alternativ förklaring i Naturkommunikation .

Samarium hexaboride är ett mörkt fast ämne med metalliska egenskaper vid rumstemperatur. Det är värd för Samarium, ett element med flera elektroner begränsade till lokaliserade f orbitaler där de interagerar starkt med varandra. Ju lägre temperatur, desto tydligare blir dessa interaktioner. SmB6 blir det som kallas en Kondo -isolator, uppkallad efter Jun Kondo, som först förklarade denna kvanteffekt.

För cirka 40 år sedan, fysiker observerade att SmB6 fortfarande bibehöll kvarvarande konduktivitet vid temperaturer under 4 kelvin, vars orsak hade varit oklar fram till idag. Efter upptäckten av den topologiska isolatorklassen av material för cirka 12 år sedan, hypoteser växte fram att SmB6 kunde vara en topologisk isolator och vara en kondoisolator, vilket kan förklara konduktivitetsanomalin på en mycket grundläggande nivå, eftersom detta orsakar särskilda ledande tillstånd vid ytan. Inledande experiment pekade faktiskt på detta.

Nu, ett internationellt team som leds av prof. Oliver Rader har undersökt särskilt bra prover av SmB6 på BESSY II. Proverna, odlas av samarbetspartners i Ukraina, klyvdes längs specifika kristallplan och studerades med hjälp av ARPES 13, den unika högupplösta apparaten för vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi vid BESSY II. Fysikerna kunde uppnå de nödvändiga kryotemperaturerna under 1 kelvin och ganska exakt mäta energinivåerna i elektronbanden med avseende på kristallens geometri.

Första analysen:ingen topologisk isolator

Deras mätningar bekräftade resultatet att elektroner på ytan är rörliga, men forskarna fann bevis för att det jämna antalet observerade bandövergångar är oförsonligt med elektronerna som upptar topologiska yttillstånd.

I uppföljningsexperimenten, forskarna letade intensivt efter en alternativ förklaring av konduktiviteten som visats vid ytan. "Vi kunde visa att klyftorna mellan de tillåtna energinivåerna hos elektronerna som öppnades på grund av Kondo -effekten förskjutits lite vid ytan. Som ett resultat, provet förblir ledande endast där. Detta betyder helt klart, dock, att den anmärkningsvärda ytkonduktiviteten inte är relaterad till systemets topologi, "förklarar Dr Emile Rienks som genomförde experimenten med doktoranden Peter Hlawenka (HZB och University Potsdam).

Forskningen om topologiska isolatorer och andra material som uppvisar uttalade kvanteffekter kan leda till nya elektroniska komponenter för energieffektiv informationsteknik. Information kan bearbetas och lagras med minimal energiinmatning om vi bättre kan förstå dessa material och därigenom kontrollera dem.