Elektroner springer längs ytan av vissa ovanliga kristallina material, förutom att de ibland inte gör det. Två nya studier från Princeton -forskare och deras medarbetare förklarar källan till det överraskande beteendet och kartlägger en kurs för att återställa konduktiviteten i dessa anmärkningsvärda kristaller, uppskattad för sin potentiella användning i framtida teknik inklusive kvantdatorer.

Studierna publicerades i tidskriften Vetenskap .

Under de senaste 15 åren har en klass av material som kallas topologiska isolatorer har dominerat sökandet efter framtidens material. Dessa kristaller har en ovanlig egenskap:Deras inre är isolatorer - där elektroner inte kan flyta - men deras ytor är perfekta ledare, där elektroner flyter utan motstånd.

Det var bilden fram till upptäckten för två år sedan att vissa topologiska material faktiskt inte kan leda ström på ytan, ett fenomen som fick namnet "ömtålig topologi".

"Bräcklig topologi är ett konstigt odjur:Det förutspås nu existera i hundratals material, "sa B. Andrei Bernevig, professor i fysik vid Princeton och medförfattare på båda uppsatserna. "Det är som om den vanliga principen som vi har förlitat oss på för att experimentellt bestämma ett topologiskt tillstånd går sönder."

För att få grepp om hur ömtåliga tillstånd bildas, forskarna vände sig till två resurser:matematiska ekvationer och 3D-skrivare. Med Luis Elcoro vid universitetet i Baskien, Bernevig och Princetons postdoktor Zhi-Da Song konstruerade en matematisk teori för att förklara vad som händer inuti materialen.

Nästa, Sebastian Huber och hans team på ETH Zürich, i samarbete med forskare vid Princeton, Weizmann Institute of Science i Israel, South China University of Technology, och Wuhan University, testade teorin genom att bygga ett topologiskt material i naturlig storlek av 3D-tryckt plast.

Topologiska material drar sitt namn från matematikområdet som förklarar hur former som munkar och kaffekoppar är relaterade (de har båda ett hål). Samma principer kan förklara hur elektroner hoppar från atom till atom på ytan av de ungefär 20, 000 topologiska material hittills identifierat. Den teoretiska grunden för topologiska material fick 2016 ett Nobelpris i fysik för F. Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University professor i fysik.

Det som gör dessa kristaller så intressanta för forskare är deras paradoxala elektroniska egenskaper. Kristallens insida har ingen förmåga att leda ström - det är en isolator. Men skär kristallen på mitten, och elektronerna skummar över de nyligen avslöjade ytorna utan motstånd, skyddas av sin topologiska natur.

Förklaringen ligger i sambandet mellan elektronerna på ytan och de i det inre, eller bulk. Elektroner kan inte ses som enskilda partiklar utan som vågor som sprider sig som krusningar av vatten från en sten som kastas i en damm. I denna kvantmekaniska syn, varje elektron plats beskrivs av en spridningsvåg som kallas en kvantvågsfunktion. I ett topologiskt material, kvantvågfunktionen hos en elektron i massan sprider sig till kristallens kant, eller ytgräns. Denna överensstämmelse mellan massan och gränsen leder till ett perfekt ledande yttillstånd.

Denna princip om "bulk-gräns-korrespondens" för att förklara topologisk ytledning var allmänt accepterad tills för två år sedan, när en handfull vetenskapliga artiklar avslöjade förekomsten av ömtålig topologi. Till skillnad från de vanliga topologiska tillstånden, ömtåliga topologiska tillstånd har inte ledande yttillstånd.

"Den vanliga bulkgränskorrespondensprincipen bryts ner, "Sa Bernevig. Men exakt hur förblev ett pussel.

I den första av de två Vetenskap papper, Bernevig, Song och Elcoro ger en teoretisk förklaring till en ny bulkgräns-korrespondens för att förklara bräcklig topologi. Samarbetspartnerna visar att elektronvågfunktionen för ömtålig topologi endast sträcker sig till ytan under specifika förhållanden, som forskarna kallar en vriden bulk-gräns-korrespondens.

Teamet fann vidare att den vridna bulk-gräns-korrespondensen kan ställas in så att de ledande yttillstånden återkommer. "Baserat på vågfunktionens former, vi utformade en uppsättning mekanismer för att införa störningar på gränsen på ett sådant sätt att gränstillståndet nödvändigtvis blir perfekt ledande, "sa Luis Elcoro, professor vid universitetet i Baskien.

Att hitta nya övergripande principer är något som alltid fascinerar fysiker, men denna nya typ av bulkgräns-korrespondens kan också ha något praktiskt värde, enligt forskarna. "Den vridna bulkgräns-korrespondensen för ömtålig topologi ger ett potentiellt förfarande för att kontrollera yttillståndet, vilket kan vara användbart i mekanisk, elektroniska och optiska applikationer, "Sa låten.

Men att bevisa att teorin fungerar var praktiskt taget omöjligt med tanke på att man skulle behöva störa gränserna vid oändligt små atomskalor. Så teamet vände sig till medarbetare för att bygga en modell i naturlig storlek för att utforska sina idéer.

På sekunden Vetenskap papper, Sebastian Huber och hans team på ETH Zürich byggde en storskalig topologisk kristall av plast med hjälp av 3D-tryckta delar. De använde ljudvågor för att representera elektronvågfunktionerna. De infogade hinder för att blockera ljudvågornas väg, vilket är analogt med att skära kristallen för att avslöja de ledande ytorna. På det här sättet, forskarna efterliknade det vridna gränsvillkoret, och sedan visade det genom att manipulera det, de kunde visa att en fritt ledande ljudvåg färdas över ytan.

"Detta var en mycket vänster fältidé och insikt, "Huber sa." Vi kan nu visa att praktiskt taget alla topologiska tillstånd som har förverkligats i våra artificiella system är sköra, och inte stabil som man trodde tidigare. Detta arbete ger den bekräftelsen, men mycket mer, det inför en ny övergripande princip. "