Förverkligandet av så kallade topologiska material - som uppvisar exotiska, defektbeständiga egenskaper och förväntas ha tillämpningar inom elektronik, optik, kvantberäkning, och andra områden – har öppnat upp en ny värld inom materialupptäckt.

Flera av de hett studerade topologiska materialen hittills är kända som topologiska isolatorer. Deras ytor förväntas leda elektricitet med mycket lite motstånd, något som liknar supraledare men utan behov av otroligt kyliga temperaturer, medan deras inre - den så kallade "bulken" av materialet - inte leder ström.

Nu, ett team av forskare som arbetar vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt den starkaste topologiska ledaren hittills, i form av tunna kristallprover som har en spiraltrappstruktur. Teamets studie av kristaller, dubbade topologiska kirala kristaller, rapporteras i 20 mars upplagan av tidskriften Natur .

Den DNA-liknande spiralstrukturen, eller helicoid, i kristallprovet som var i fokus för den senaste studien uppvisar en kiralitet eller "hänthet - eftersom en person kan vara antingen vänsterhänt eller högerhänt, och vänster hand är en spegelbild av höger hand. Kirala egenskaper kan i vissa fall vändas, som att en vänsterhänt blir en högerhänt.

"I detta nya arbete bevisar vi i huvudsak att detta är ett nytt tillstånd av kvantmateria, som också uppvisar nästan idealiska topologiska ytegenskaper som uppstår som en konsekvens av kristallstrukturens kiralitet, sade M. Zahid Hasan, en pionjär inom topologiska material som ledde materialteorin och -experimenten som besökande fakultetsforskare vid Materials Sciences Division vid Berkeley Lab. Hasan är också Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University.

En egenskap som definierar topologisk ledningsförmåga - som är relaterad till den elektriska ledningsförmågan hos materialets yta - uppmättes till att vara cirka 100 gånger större än den som observerats i tidigare identifierade topologiska metaller.

Denna fastighet, känd som ytfermibågen, avslöjades i röntgenexperiment vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) med en teknik som kallas fotoemissionsspektroskopi. ALS är en synkrotron som producerar intensivt ljus - från infraröd till högenergiröntgenstrålar - för dussintals samtidiga experiment.

Topologi är ett väletablerat matematiskt begrepp som relaterar till bevarandet av ett objekts geometriska egenskaper även om ett objekt sträcks ut eller deformeras på annat sätt. Några av dess experimentella tillämpningar i 3D elektroniska material - som att upptäcka topologiska beteenden i material elektroniska strukturer - realiserades bara för drygt ett decennium sedan, med tidiga och fortsatta bidrag från Berkeley Lab.

"Efter mer än 12 års forskning inom topologisk fysik och material, Jag tror att detta bara är toppen av isberget, " tillade Hasan. "Baserat på våra mätningar, detta är den mest robusta, topologiskt skyddad ledarmetall som någon har upptäckt – den tar oss till en ny gräns."

Topologiskt skyddade innebär att vissa av materialets egenskaper är tillförlitligt konstanta även om materialet inte är perfekt. Den kvaliteten stärker också den framtida möjligheten till praktiska tillämpningar och tillverkningsbarhet för dessa typer av material.

Ilja Belopolski, en Princeton-forskare som deltog i både teorin och experimentarbetet, noterade att en särskilt intressant egenskap hos de studerade kristallerna – som inkluderade kobolt-kisel- och rodium-kiselkristaller – är att de kan producera en elektrisk ström med en fast styrka när du lyser på dem.

"Våra tidigare teorier visade att - baserat på materialets elektroniska egenskaper som vi nu har observerat - strömmen skulle fixeras till specifika värden, " sa han. "Det spelar ingen roll hur stort urvalet är, eller om det är smutsigt. Det är ett universellt värde. Det är fantastiskt. För applikationer, prestationen kommer att vara densamma."

I tidigare experiment vid ALS, Hasans team hade avslöjat förekomsten av en typ av masslösa kvasipartiklar som kallas Weyl-fermioner, som bara hade varit känt att existera i teorin i cirka 85 år.

Weyl fermioner, som observerades i syntetiska kristaller av en halvmetall som kallas tantalarsenid, uppvisar några liknande elektroniska egenskaper som de som finns i kristallerna som användes i den senaste studien, men saknade sina chirala drag. Halvmetaller är material som har vissa metall- och vissa icke-metalliska egenskaper.

"Vårt tidigare arbete med Weyl-halvmetaller banade vägen för forskning om exotiska topologiska ledare, " sa Hasan. I en studie från november 2017 som fokuserade på teori kring dessa exotiska material, Hasans team förutspådde att elektroner i rodium-kisel och många relaterade material betedde sig på mycket ovanliga sätt.

Teamet hade förutspått att kvasipartiklar i materialet - som beskrivs av elektronernas kollektiva rörelse - dyker upp som masslösa elektroner och borde bete sig som saktade, 3D-partiklar av ljus, med bestämda handighets- eller chiralitetsdrag till skillnad från topologiska isolatorer eller grafen.

Också, deras beräkningar, publicerad 1 okt. 2018 i Naturmaterial tidning, föreslog att elektroner i kristallerna kollektivt skulle bete sig som om de vore magnetiska monopoler i sin rörelse. Magnetiska monopoler är hypotetiska partiklar med en enda magnetisk pol - som jorden utan en sydpol som kan röra sig oberoende av en nordpol.

Allt detta ovanliga topologiska beteende pekar tillbaka mot den kirala naturen hos kristallproverna, som skapar en spiral eller "spiralformad" elektronisk struktur, som observerats i experimenten, Hasan noterade.

De studerade proverna, som innehåller kristaller som mäter upp till ett par millimeter i diameter, utarbetades i förväg av flera internationella källor. Kristallerna karakteriserades av Hasans grupp vid Princeton's Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopy med hjälp av ett tunnelmikroskop med låg temperatur som kan skanna prover i atomskala, och proverna transporterades sedan till Berkeley Lab.

Innan du studerade vid ALS, proverna genomgick en specialiserad poleringsbehandling vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en forskningsanläggning i nanoskala. Daniel Sanchez och Tyler Cochran, Princeton-forskare som bidrog till studien, sa att prover för sådana studier vanligtvis "klyvs, " eller trasiga så att de är atomärt platta.

Men i det här fallet, kristallbindningarna var mycket starka eftersom kristallerna har en kubisk form. Så teammedlemmar arbetade med personal på Molecular Foundry för att skjuta högenergi-argonatomer på kristallproverna för att rengöra och platta till dem, och sedan omkristalliserade och polerade proverna genom en uppvärmningsprocess.

Forskarna använde två olika röntgenstrålar vid ALS (Beamline 10.0.1 och Beamline 4.0.3) för att avslöja de ovanliga elektroniska och spinnegenskaperna hos kristallproverna.

Eftersom det elektroniska beteendet i proverna verkar efterlikna kiraliteten i kristallernas struktur, Hasan sa att det finns många andra vägar att utforska, som att testa om supraledning kan överföras över andra material till den topologiska ledaren.

"Detta kan leda till en ny typ av supraledare, " han sa, "eller utforskningen av en ny kvanteffekt. Är det möjligt att ha en kiral topologisk supraledare?"

Också, medan de topologiska egenskaper som observerats i rodium-kisel- och kobolt-kiselkristaller i den senaste studien anses vara idealiska, det finns många andra material som har identifierats som skulle kunna studeras för att bedöma deras potential för förbättrad prestanda för verkliga tillämpningar, sa Hasan.

"Det visar sig att samma fysik också kan vara möjlig att realisera i andra föreningar i framtiden som är mer lämpade för enheter, " han sa.

"Det är en enorm tillfredsställelse när man förutsäger något exotiskt och det dyker upp i laboratorieexperimenten, Hasan tillade, noterar hans teams tidigare framgångar med att förutsäga materials topologiska egenskaper. "Med definitiva teoretiska förutsägelser, vi har kombinerat teori och experiment för att främja kunskapsgränsen."