Forskare vid PSI har undersökt ett nytt kristallint material som uppvisar elektroniska egenskaper som aldrig har setts tidigare. Det är en kristall av aluminium och platina atomer arrangerade på ett speciellt sätt. I de symmetriskt upprepande enhetscellerna i denna kristall, enskilda atomer förskjutits från varandra på ett sådant sätt att de - som anslutna i sinnets öga - följde formen av en spiraltrappa. Detta resulterade i nya egenskaper hos elektroniskt beteende för kristallen som helhet, inklusive så kallade Rarita-Schwinger fermioner i dess inre och mycket långa och fyrdubbla topologiska Fermibågar på dess yta. Forskarna har nu publicerat sina resultat i tidskriften Naturfysik .

De rapporterar en ny typ av kvasipartikel. Kvasipartiklar är tillstånd i material som beter sig på ett visst sätt som faktiska elementarpartiklar. Två fysiker, William Rarita och Julian Schwinger, förutspådde först denna typ av kvasipartikel 1941, som kom att kallas Rarita-Schwinger fermioner. Dessa har nu upptäckts experimentellt för första gången, delvis tack vare mätningar på Swiss Synchrotron Light Source SLS på PSI.

"Så vitt vi vet, vi är – samtidigt med tre andra forskargrupper – bland de första att se Rarita-Schwinger fermioner, säger Niels Schröter, en forskare vid PSI och första författare till den nya studien.

Sökandet efter exotiska elektronstater

Forskarna upptäckte kvasipartiklarna medan de undersökte ett nytt material - en speciell aluminium-platinakristall. "Sett med blotta ögat, vår kristall var helt enkelt en liten kub på ungefär en halv centimeter i storlek och svart-silver, "säger Schröter." Våra kollegor vid Max Planck -institutet för kemisk fysik i fasta ämnen i Dresden producerade det med en speciell process. Förutom forskarna i Dresden, forskare i Storbritannien, Spanien och USA var också involverade i den aktuella studien. Syftet med Dresden-forskarna var att åstadkomma ett skräddarsytt arrangemang av atomerna i kristallgittret.

I en kristall, varje atom upptar ett exakt utrymme. En ofta kubformad grupp av närliggande atomer utgör ett grundläggande element, den så kallade enhetscellen. Detta upprepar sig i alla riktningar och bildar på så sätt kristallen med dess typiska symmetrier, som också syns utifrån. Dock, i aluminium-platina-kristallen som nu undersöks, enskilda atomer i intilliggande elementära celler förskjutits något från varandra så att de följde formen av en spiraltrappa, en spiralformad linje. "Det fungerade alltså precis som planerat:Vi hade en kiral kristall, "förklarar Schröter.

Kristaller som två händer

Kirala material kan jämföras med spegelbilden av vänster och höger hand. I vissa kirala kristaller, atoms imaginära spiraltrappa går medurs, och i andra, den går moturs. "Vi forskare tycker att kirala material är mycket spännande, eftersom matematiska modeller gör många förutsägelser om att exotiska fysiska fenomen kan hittas i dem, "förklarar Vladimir Strocov, en PSI-forskare och medförfattare till den aktuella studien.

Och detta var fallet med aluminium-platinakristallen som forskarna undersökte. Med SLS-röntgen- och fotoelektronspektroskopi, de gjorde de elektroniska egenskaperna inuti kristallen synliga. Dessutom, kompletterande mätningar av samma kristall vid Diamond Light Source i Oxfordshire, England, tillät dem att se de elektroniska strukturerna på dess yta.

Dessa undersökningar visade att den speciella kristallen inte bara var ett kiralt material, men också en topologisk. "Vi kallar den här typen av material en kiral topologisk halvmetall, "Strocov säger." Tack vare de enastående spektroskopiska förmågorna hos ADRESS -strålen här på SLS, vi är nu bland de första som experimentellt har bevisat förekomsten av ett sådant material. "

Munkarnas värld

Topologiska material kom i allmänhetens ögon med Nobelpriset i fysik 2016, när tre forskare hedrades för sina undersökningar av topologiska faser och fasövergångar.

Topologi är ett matematikfält som behandlar strukturer och former som liknar varandra. Till exempel, en boll av modelllera kan formas till en form, en tallrik, eller en skål genom att bara trycka och dra — dessa former är alltså topologiskt identiska. Dock, att få en munk eller en siffra åtta, du måste göra hål i leran - en för munken, två hål för 8:an.

Denna klassificering enligt antalet hål och ytterligare topologiska egenskaper har redan tillämpats på andra fysikaliska egenskaper hos material av de vetenskapsmän som tilldelades Nobelpriset 2016. Således, till exempel, teorin om så kallade topologiska kvantvätskor utvecklades.

"Det faktum att vår kristall är ett topologiskt material innebär att i överförd mening, antalet hål inuti kristallen skiljer sig från antalet hål utanför den. Därför, vid övergången mellan kristall och luft, alltså vid kristallytan, antalet hål är inte väldefinierat. Vad är klart, dock, är att det är här det förändras, " förklarar Schröter. "Vi säger att en topologisk fasövergång äger rum vid kristallytan. Som ett resultat, nya elektroniska tillstånd uppstår där:topologiska Fermibågar. "

Kvaspartiklar inuti, Fermibågar på ytan

Det är kombinationen av dessa två fenomen, kristallens kiralitet och topologi, som leder till de ovanliga elektroniska egenskaperna som också skiljer sig inuti materialet och på dess yta.

Medan forskarna kunde upptäcka Rarita-Schwinger-fermionerna inuti materialet, kompletterande mätningar vid den engelska synkrotronstrålningskällan Diamond Light Source avslöjade andra exotiska elektroniska tillstånd på materialets yta:fyra så kallade Fermi-bågar, som också är betydligt längre än någon tidigare observerad Fermi båg.

"Det är helt klart att Rarita-Schwinger-fermionerna i det inre och dessa speciella Fermi-bågar på ytan hänger ihop. Båda härrör från det faktum att det är ett kiralt topologiskt material, "säger Schröter." Vi är mycket nöjda över att vi var bland de första som hittade ett sådant material. Det handlar inte bara om dessa två elektroniska egenskaper:Upptäckten av topologiska kirala material kommer att öppna en hel lekplats för nya exotiska fenomen. "

Forskare är intresserade av nya material och elektronernas exotiska beteende eftersom några av dem kan vara lämpliga för tillämpningar inom framtidens elektronik. Syftet är - till exempel med kvantdatorer - att uppnå allt tätare och snabbare lagring och dataöverföring i framtiden och att minska energiförbrukningen för elektroniska komponenter.