Jämförelse mellan de experimentella ARPES -data och den simulerade (DFT) ytspektraldensiteten, de skarpa egenskaperna med linjära korsningar vid punkten M motsvarar yttillstånd. Kredit:National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL
Topologiska isolatorer (TI) är bulkisolerande material som ändå uppvisar metallisk konduktivitet på sina ytor. Denna konduktivitet garanteras av bulkbandstrukturens topologi - ytan har dessa tillstånd så länge symmetrin som definierar det topologiska indexet förblir densamma.
I så kallade starka TI, dessa tillstånd är skyddade och finns på alla ytor. I svaga TI är dock dessa egenskaper skyddas endast på ytor med en viss orientering. Stapling av tvådimensionella TI:er, det är QSHI, att bilda en tredimensionell kristall, till exempel, genererar i allmänhet ett svagt TI utan skyddade tillstånd på kristallens övre eller nedre ytor:det finns metalliska yttillstånd som ärvs från kanttillstånden för 2-D TI, men också ett isolerande ytplan som ligger normalt för staplingsriktningen.
Nyligen teoretiskt arbete, utförs också av MARVEL -forskare, föreslog dock att detta kanske inte är fallet för staplade, eller bulk, jacutingaite. Forskningen föreslog ett mer komplicerat scenario - materialet kan vara en topologisk kristallin isolator (TCI) samt en svag TI. I TCI:er topologin definieras av symmetri med avseende på ett spegelplan och metalliska yttillstånd kan hittas på ytor vinkelrätt mot det. Detta tillstånd kan förväntas i materialet på grund av det trefaldiga spegelsymmetri. Jacutingaite upprätthåller dock även translationell symmetri i staplingen av lagren, vilket betyder att det också kan ha egenskaperna hos ett svagt TI. Tills nu, dock, det har inte funnits några experimentella resultat på bulkbandstrukturen.
Forskning initierad av EPFL:s THEOS -laboratorium och genomförd i samarbete med Institutionen för kvantmatterfysik vid universitetet i Genève och andra grupper inklusive Diamond Light Source i Storbritannien, har nu dock beskrivit den första syntesen någonsin av en enda kristall av jakutingait och använt provet för att ge bevis för deras dubbel-topologiska natur genom att jämföra bulk- och ytelektronisk struktur bestämd från synkrotronbaserade vinkelupplösta fotoemission (ARPES) experiment med DFT beräkningar. Pappret, Bulk- och ytaelektronisk struktur för Dual-Topology Semimetal Pt 2 HgSe 3 , har nyligen publicerats i Fysiska granskningsbrev .
Arbetet avslöjade topologiskt skyddade yttillstånd i materialets naturliga klyvningsplan (001), oväntat eftersom det snarare borde stödja en svag topologisk fas eftersom det är en stapel med 2-D QSHI. Beräkningar av vissa topologiska invarianter bekräftade den svaga topologiska isolatorfasen som vanligtvis kännetecknas av gaplösa lägen på sidoytorna, men helt gapade tillstånd på topp- och bottenytorna. Yttillstånden som finns på 001 -ytan antogs därför vara manifestationen av en annan topologisk fas.
Kristallstruktur av bulk jacutingaite (Pt 2 HgSe 3 ), i rött och blått en av de två maximalt lokaliserade Wannier-funktionerna som ligger bakom J3KM:s tättbindande modell. Kredit:National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL
Forskarna antog att det kan vara en indikation på TCI -fasen i samband med kristallens trefaldiga spegelsymmetri. I så fall, topologiskt skyddade yttillstånd förväntas på kristallytor som bevarar spegelsymmetrin och detta var fallet för den klyvda (001) ytan.
Med hjälp av första principberäkningar, forskarna kunde identifiera detta yttillstånd som signaturen för en TCI -fas som samexisterar med den generiska WTI -fasen som finns i samma beräkningar. Resultaten ger således bevis för den förutspådda dubbla topologin för Pt 2 HgSe 3 . Vad som dock var oklart är mekanismen bakom jacutingaites status som en dubbel topologisk isolator.
Just detta ämne togs upp i teoretiskt arbete som utvecklats vid EPFL:s THEOS, forskning som kompletterar det experimentella och beräkningsarbete som utförts i den andra uppsatsen. I tidningen Emergent dual topology i den tredimensionella Kane-Mele Pt 2 HgSe 3 , forskare Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, och kollegan Marco Gibertini vid universitetet i Genève, tidigare från THEOS, utvidgade den tvådimensionella Kane-Mele (KM) modellen som används för att beskriva topologiska material till bulk jacutingaite. Tidningen publicerades nyligen i Physical Review Research.
De visade att den oväntade topologin i bulk jacutingaite kommer från en stark hybridisering mellan lager som leder till en 3D-generalisering av KM-modellen. Medan närmaste lager är nästan avkopplade, det finns en stor, märklig hoppterm som indikerar stark koppling mellan lager som är två lager från varandra. Jämna och udda lager är då mer eller mindre oberoende och kan beskrivas separat med en 3D-modell KM, dubbade J3KM i tidningen, som inkluderar en bandinversion som drivs av denna nya hoppterm. Detta resulterar i en knutlinje som spåras av en spin-orbit-koppling och ett icke-noll Chern-nummer-det vill säga skyddade yttillstånd som överensstämmer med TCI:er. När kopplingen mellan jämna och udda lager återställs, materialet fungerar igen som ett WTI.
Denna insikt ger en mikroskopisk förståelse av materialets framträdande dubbla topologi. J3KM-modellen förutspår förekomsten av yttillstånd och nodal linjer som spåras av interaktioner med spinnbana, i överensstämmelse med ARPES-mätningarna och de första principerna simuleringar som utförts i det andra dokumentet. Modellen är relevant för alla andra skiktade material gjorda av staplade bikakegaller och ger en tilltalande strategi för att bryta standardparadigmet för svaga topologiska isolatorer.
Till sist, kombinationen av de experimentella bevisen, första principer simuleringar och teoretiska modeller på 3D-jakutingait stöder THEOS tidigare förutsägelse att 2-D jacutingaite är en Kane-Mele (grafenliknande) kvantspinnshallisolator.
