Grundforskning inom kondensmaterialets fysik har drivit enorma framsteg i modern elektronisk kapacitet. Transistorer, optisk fiber, Lysdioder, magnetiska lagringsmedier, plasmaskärmar, halvledare, supraledare - listan över tekniker som är grundade på grundforskning inom kondenserad fysik är häpnadsväckande. Forskare som arbetar inom detta område fortsätter att utforska och upptäcka överraskande nya fenomen som lovar morgondagens tekniska framsteg.

En viktig undersökningslinje inom detta område innefattar topologi - ett matematiskt ramverk för att beskriva yttillstånd som förblir stabila även när materialet deformeras genom sträckning eller vridning. Den inneboende stabiliteten hos topologiska yttillstånd har konsekvenser för en rad tillämpningar inom elektronik och spintronik.

Nu, ett internationellt team av forskare har upptäckt en exotisk ny form av topologiskt tillstånd i en stor klass av 3D-halvmetalliska kristaller som kallas Dirac semimetals. Forskarna utvecklade omfattande matematiska maskiner för att överbrygga klyftan mellan teoretiska modeller med former av "högre ordning" topologi (topologi som bara manifesteras vid gränsen) och det fysiska beteendet hos elektroner i verkliga material.

Teamet består av forskare vid Princeton University, inklusive postdoktor Dr. Benjamin Wieder, Kemiprofessor Leslie Schoop, och fysikprofessor Andrei Bernevig; vid University of Illinois i Urbana-Champaign, Fysikprofessor Barry Bradlyn; vid Institute of Physics Chinese Academy of Sciences i Peking, Fysikprofessor Zhijun Wang; vid State University of New York i Stony Brook, Fysikprofessor Jennifer Cano (Cano är också anslutet till Simons Foundation's Flatiron Institute); och vid Hong Kong University of Science and Technology, Fysikprofessor Xi Dai. Teamets resultat publicerades i tidskriften Naturkommunikation den 31 januari, 2020.

Under det senaste decenniet har Dirac och Weyl fermioner har förutsagts och experimentellt bekräftats i ett antal fasta material, framför allt i kristallint tantalarsenid (TaA), den först upptäckta topologiska Weyl fermion semimetallen. Flera forskare observerade att TaAs uppvisar 2-D topologiska yttillstånd som kallas "Fermi bågar". Men liknande fenomen som observerats i Dirac fermion semimetaller har undvikit förståelse, tills nu.

Vad är en Fermi -båge? I samband med halvmetaller, det är ett yttillstånd som beter sig som hälften av en tvådimensionell metall; den andra halvan finns på en annan yta.

Bradlyn noterar, "Detta är inte något som är möjligt i ett rent 2-D-system, och kan bara hända som en funktion av en kristalls topologiska natur. I det här arbetet, vi fann att Fermi -bågarna är begränsade till 1D -gångjärnen i Dirac -halvmetaller. "I tidigare arbeten, Dai, Bernevig, och kollegor har experimentellt visat att 2-D-ytorna på Weyl-halvmetaller måste vara värd för Fermi-bågar, oavsett ytans detaljer, som en topologisk konsekvens av Weyl -punkterna (fermioner) som finns djupt inne i kristallens huvudsak. Detta förutspåddes först teoretiskt av Vishwanath, et al.

"Weylhalvmetaller har lager som lök, "konstaterar Dai." Det är anmärkningsvärt att du kan fortsätta skala ytan på TaA, men bågarna finns alltid där. "

Forskare har också observerat bågliknande yttillstånd i Dirac-halvmetaller, men försök att utveckla ett liknande matematiskt samband mellan sådana yttillstånd och Dirac fermioner i huvuddelen av materialet har misslyckats:det var klart att Dirac -yttillstånden uppstår från en annan, orelaterad mekanism, och det drogs slutsatsen att Dirac -yttillstånden inte var topologiskt skyddade.

I den aktuella studien, forskarna blev förvånade över att stöta på Dirac fermioner som tycktes uppvisa topologiskt skyddade yttillstånd, motsäger denna slutsats. Genom att arbeta med modeller av Dirac-halvmetaller härledda från topologiska fyrbandsisolatorer-topologiska topologiska system som nyligen upptäcktes av Bernevig i samarbete med Illinois fysikprofessor Taylor Hughes-fann de att denna nya materialklass uppvisar robusta, ledande elektroniska tillstånd i 1D, eller två färre dimensioner än bulk 3D-Dirac-punkter.

Ursprungligen förvirrad av mekanismen genom vilken dessa "gångjärn" -tillstånd uppträdde, forskarna arbetade med att utveckla ett omfattande, exakt lösbar modell för de bundna tillstånden för topologiska fyrdubbar och Dirac -halvmetaller. Forskarna fann att, i Dirac -halvmetaller, Fermibågar genereras med en annan mekanism än bågarna i Weyl -halvmetaller.

"Förutom att lösa det decennier gamla problemet med huruvida kondenserad materia Dirac fermioner har topologiska yttillstånd, "Wieder noterar, "vi visade att Dirac-halvmetaller representerar ett av de första solid-state-material som är värd för signaturer av topologiska fyrdubbar."

Bradlyn tillägger, "Till skillnad från Weyl halvmetaller, vars yttillstånd är kusiner till ytorna på topologiska isolatorer, vi har visat att Dirac semimetaller kan vara värd för yttillstånd som är kusiner till hörnstaterna för topologiska isolatorer av högre ordning. "

Bradlyn beskriver teamets metodik:"Vi tog ett trekantigt tillvägagångssätt för att reda ut saker. Först, vi konstruerade några leksaksmodeller för system som vi förväntade oss att ha dessa egenskaper, inspirerad av tidigare arbete med topologiska topologiska system i 2-D, och att använda gruppteori för att genomdriva begränsningar i tre dimensioner. Detta gjordes främst av Dr. Wieder, Professor Cano, och mig själv.

"Andra, Dr Wieder och jag genomförde en mer abstrakt teoretisk analys av system i två dimensioner, härleda de villkor för vilka de är skyldiga att uppvisa gångjärnstillstånd, även utanför leksaksmodeller. "

"Tredje, vi utförde en analys av kända material, kombinerar professor Leslie Schoops kemiintuition, våra symmetribegränsningar, och ab initio -beräkningar från professor Zhijun Wang för att visa att våra gångjärnsbågtillstånd ska vara synliga i verkliga material. "

När dammet lagt sig, teamet fann att nästan alla kondenserade Dirac -halvmetaller i själva verket borde uppvisa gångjärnstillstånd.

"Vårt arbete ger en fysiskt observerbar signatur på den topologiska naturen hos Dirac fermions, som tidigare var tvetydig, "konstaterar Cano.

Bradlyn tillägger, "Det är klart att många tidigare studerade Dirac -halvmetaller faktiskt har topologiska gränstillstånd, om man tittar på rätt ställe. "

Genom beräkningar av första principer, forskarna demonstrerade teoretiskt förekomsten av förbises gångjärnstillstånd på kanterna av kända Dirac -halvmetaller, inklusive det prototypiska materialet, kadmiumarsenid (Cd ₃ Som ₂ ).

Bernevig kommentarer, "Med ett fantastiskt team som kombinerar färdigheter från teoretisk fysik, första principberäkningar, och kemi, vi kunde visa sambandet mellan högre ordningens topologi i två dimensioner och Dirac semimetaller i tre dimensioner, för första gången."

Teamets resultat har konsekvenser för utvecklingen av ny teknik, inklusive inom spintronics, eftersom gångjärnstillstånden kan omvandlas till kanttillstånd vars utbredningsriktning är knuten till deras snurr, ungefär som kanttillstånden för en 2-D topologisk isolator. Dessutom, nanoroder av topologiska topologiska halvmetaller skulle kunna inse topologisk supraledning på sina ytor när de proximiteras med konventionella supraledare, potentiellt förverkligande av flera Majorana fermioner, som har föreslagits som ingredienser för att uppnå feltoleranta kvantberäkningar.