Topologiska isolatorer är en av 2000 -talets mest spännande upptäckter. De kan enkelt beskrivas som material som leder elektricitet på deras yta eller kant, men är isolerande i sin inre bulk. Deras ledande egenskaper är baserade på spinn, en kvantmekanisk egenskap, och detta undertrycker den normala spridningen av elektroner från föroreningar i materialet, eller andra elektroner, och mängden energi som följaktligen går förlorad på grund av värme. I motsats till superledare, topologiska isolatorer kan arbeta vid rumstemperatur, erbjuder möjligheten för vår nuvarande elektronik att ersättas med kvantdatorer och 'spintronic' enheter som skulle vara mindre, snabbare, mer kraftfull och mer energieffektiv. Topologiska isolatorer klassificeras som ”starka” eller ”svaga”, och experimentella bekräftelser av den starka topologiska isolatorn (STI) följde snabbt teoretiska förutsägelser. Dock, den svaga topologiska isolatorn (WTI) var svårare att verifiera experimentellt, när det topologiska tillståndet dyker upp på särskilda sidoytor, som vanligtvis inte är detekterbara i riktiga 3D-kristaller. I forskning som nyligen publicerades i Natur , ett team av forskare från Japan använde synkrotrontekniker för att tillhandahålla experimentella bevis för WTI -tillståndet i en vismutjodidkristall.

De kvasi-endimensionella (1-D) vismutjodidkristallerna α-Bi4I4 och β-Bi4I4 har mycket liknande strukturer, skiljer sig bara i sina staplingssekvenser längs c-axeln. Denna lilla skillnad i struktur leder till en väsentlig skillnad i resistiviteten för de två faserna, i både absolut storlek och temperaturberoende. Vid rumstemperatur sker första ordningens övergångar mellan de två kristallfaserna, med den mer resistiva a-fasen som företrädesvis bildas när provet långsamt kyls.

Forskargruppen använde laserbaserade vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES) mätningar med hög energi och momentumupplösningar för att bestämma de elektroniska strukturerna för α-Bi4I4 och β-Bi4I4. De observerade en överlagring av ARPES -signalerna från (001) och (100) planen i dessa experiment, eftersom laserpunkten var mycket större än varje terrass och fasett exponerad på en klyvd yta. I β -Bi4I4, de observerade en Dirac-kon-liknande energidispersion nära Fermi-energin, EF-avvikande tillstånd som inte detekterades i det triviala α-Bi4I4, och som bör bero på en topologisk yta. Ett liknande kvasi-1D-tillstånd bekräftades genom ARPES vid en högre fotonenergi. Den enda möjliga förklaringen till det observerade kvasi-1D Dirac-tillståndet är att det härrör från den topologiska sidoytan (100) på ett WTI.

För att undersöka WTI -ytan exklusivt, de vände sig till en ytselektiv ARPES-teknik-nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) är en spännande utveckling inom synkrotrontekniker, som kombinerar mikroskopets höga rumsliga upplösning med energi- och momentumupplösningen i ARPES-tekniken. NARPES-grenen av beamline I05 har en slutstation som levererar rumsligt upplösta ARPES från ultra-små fläckstorlekar. Med hjälp av en fotonstråle fokuserad på en plats med mindre än 1 μm i storlek, laget kunde observera planet (100) utan föroreningar.

WTI -staten

Forskarna fick en mikroskopisk intensitetskarta för en liten klyvningsyta, med nARPES före vinkelupplösta mätningar

De observerade sedan ett kvasi-endimensionellt Dirac topologiskt yttillstånd vid sidoytan ((100) planet), medan den övre ytan ((001) planet) är topologiskt mörk med frånvaro av topologiska yttillstånd. Deras resultat visualiserade WTI-tillståndet realiserat i β-Bi4I4, och visade att en kristallövergång från p-fas till a-fas driver en topologisk fasövergång från en icke-trivial WTI till en normal isolator vid rumstemperatur.

Den identifierade WTI -staten kan ha flera olika vetenskapliga och tekniska konsekvenser. Eftersom den betraktas som 3-D-analog av Quantum spin Hall (QSH) -isolatorn, och kan generera mycket riktad spinnström över en bred sidoyta av 3D-kristallen, dess upptäckt bör stimulera ytterligare fördjupning av exotiska kvantfenomen. I vismutjodid kan framväxten av robusta spinnströmmar kontrolleras genom att välja kristallfaser som är antingen topologiska eller icke-topologiska, vid rumstemperatur.

Denna forskning är därför ett steg mot grundläggande och teknisk forskning om 3D-analoger av QSH-isolatorer, och kan i slutändan leda till ny elektronisk och spintronic teknik.