Sökandet efter bättre material för datorer och andra elektroniska enheter har fokuserat på en grupp material som kallas "topologiska isolatorer" som har en speciell egenskap att leda elektricitet på kanten av sina ytor som trafikfält på en motorväg. Detta kan öka energieffektiviteten och minska värmeeffekten.

Den första experimentellt demonstrerade topologiska isolatorn 2009 var vismut-antimon, men bara nyligen identifierade forskare ren vismut som en ny typ av topologisk isolator. En grupp forskare i Europa och USA gav både experimentella bevis och teoretisk analys under 2018 Naturfysik Rapportera.

Nu, forskare vid MIT tillsammans med kollegor i Boston, Singapore, och Taiwan har genomfört en teoretisk analys för att avslöja ytterligare flera tidigare oidentifierade topologiska egenskaper hos vismut. Teamet leddes av seniorförfattare MIT docent Liang Fu, MIT -professor Nuh Gedik, Northeastern University framstående professor Arun Bansil, och forskare Hsin Lin vid Academica Sinica i Taiwan.

"Det är en dold topologi där människor inte visste att det kan vara så, "säger MIT postdoc Su-Yang Xu, en medförfattare av tidningen som nyligen publicerades i PNAS .

Topologi är ett matematiskt verktyg som fysiker använder för att studera elektroniska egenskaper genom att analysera elektroners kvantvågsfunktioner. De "topologiska" egenskaperna ger upphov till en hög grad av stabilitet i materialet och gör dess elektroniska struktur mycket robust mot mindre brister i kristallen, såsom orenheter, eller mindre snedvridningar av dess form, som töjning eller klämning.

"Låt oss säga att jag har en kristall som har brister. Dessa brister, så länge de inte är så dramatiska, då ändras inte min elektriska egendom, "Xu förklarar." Om det finns en sådan topologi och om de elektroniska egenskaperna är unikt knutna till topologin snarare än formen, då blir det väldigt robust. "

"I denna speciella förening, om du inte på något sätt utövar tryck eller något för att förvränga kristallstrukturen, annars kommer denna ledning alltid att skyddas, "Säger Xu.

Eftersom elektronerna som bär ett visst snurr bara kan röra sig i en riktning i dessa topologiska material, de kan inte studsa bakåt eller sprida, vilket är beteendet som gör att kisel- och kopparbaserade elektroniska enheter värms upp.

Medan materialforskare försöker identifiera material med snabb elektrisk ledning och låg värmeeffekt för avancerade datorer, fysiker vill klassificera de typer av topologiska och andra egenskaper som ligger till grund för dessa material med bättre prestanda.

I det nya papperet "Topologi om en ny aspekt av vismut, "författarna beräknade att vismut skulle visa ett tillstånd som kallas" Dirac -yttillstånd, "som anses vara ett kännetecken för dessa topologiska isolatorer. De fann att kristallen är oförändrad genom en halvcirkelrotation (180 grader). Detta kallas en tvåfaldig rotationssymmetri. En sådan tvåfaldig rotationssymmetri skyddar Dirac-yttillstånden. Om detta kristallens tvåfaldiga rotationssymmetri störs, dessa yttillstånd förlorar sitt topologiska skydd.

Bismut har också ett topologiskt tillstånd längs vissa kanter av kristallen där två vertikala och horisontella ytor möts, kallas ett "gångjärn" -tillstånd. För att fullt ut inse de önskade topologiska effekterna i detta material, gångjärnstillståndet och andra yttillstånd måste kopplas till ett annat elektroniskt fenomen som kallas "bandinversion" som teoretikernas beräkningar visar också finns i vismut. De förutspår att dessa topologiska yttillstånd kan bekräftas med hjälp av en experimentell teknik som kallas fotoemissionsspektroskopi.

Om elektroner som flyter genom koppar är som en fiskskola som simmar genom en sjö på sommaren, elektroner som flyter över en topologisk yta är mer som skridskoåkare som korsar sjöns frysta yta på vintern. För vismut, dock, i gångjärnetillstånd, deras rörelse skulle likna mer skridskoåkning på hörnkanten av en isbit.

Forskarna fann också att i gångjärnstillståndet, när elektronerna går framåt, deras fart och en annan egendom, kallad spin - som definierar elektronens rotation medurs eller moturs - är "låst". "Deras rotationsriktning är låst med avseende på deras rörelseriktning, "Förklarar Xu.

Dessa ytterligare topologiska tillstånd kan hjälpa till att förklara varför vismut låter elektroner resa igenom den mycket längre än de flesta andra material, och varför den leder elektricitet effektivt med många färre elektroner än material som koppar.

"Om vi ​​verkligen vill göra dessa saker användbara och avsevärt förbättra prestanda för våra transistorer, vi måste hitta bra topologiska material - bra när det gäller att de är lätta att göra, de är inte giftiga, och de är också relativt rikliga på jorden, "Föreslår Xu. Vismut, vilket är ett element som är säkert för livsmedel i form av läkemedel för att behandla halsbränna, till exempel, uppfyller alla dessa krav.

"Detta arbete är en kulmen på ett och ett halvt decennium värde av framsteg i vår förståelse av symmetri-skyddade topologiska material, "säger David Hsieh, professor i fysik vid Caltech, som inte var inblandad i denna forskning.

"Jag tycker att dessa teoretiska resultat är robusta, och det handlar helt enkelt om att experimentellt avbilda dem med hjälp av tekniker som vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, som professor Gedik är expert på, "Tillägger Hsieh.

Northeastern University Professor Gregory Fiete konstaterar att "vismutbaserade föreningar har länge spelat en huvudroll i topologiska material, även om vismut själv ursprungligen trodde var topologiskt trivialt. "

"Nu, detta team har upptäckt att ren vismut är multiplicera topologisk, med ett par yta Dirac -koner obundna till ett visst momentumvärde, säger Fiete, som inte heller var inblandad i denna forskning. "Möjligheten att flytta Dirac -kottarna genom extern parameterstyrning kan öppna vägen för applikationer som utnyttjar den här funktionen."

Caltechs Hsieh noterar att de nya fynden ökar antalet sätt som topologiskt skyddade metalltillstånd kan stabiliseras i material. "Om vismut kan förvandlas från halvmetall till isolator, då kan isolering av dessa yttillstånd i elektriska transporter åstadkommas, vilket kan vara användbart för lågeffektelektronikapplikationer, "Förklarar Hsieh.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.