I topologiska material, elektroner kan visa beteende som är väsentligt annorlunda än i konventionell materia, och omfattningen av många sådana "exotiska" fenomen är direkt proportionell mot en enhet som kallas Chern-talet. Nya experiment fastställer för första gången att det teoretiskt förutspådda maximala chernantalet kan nås - och kontrolleras - i ett verkligt material.

När Kungliga Vetenskapsakademien delade ut Nobelpriset i fysik 2016 till David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz, de hyllade trion för att ha "öppnat dörren till en okänd värld där materia kan anta konstiga tillstånd." Långt ifrån att vara en konstighet, upptäckten av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia, till vilka de tre teoretikerna har bidragit så avgörande, har vuxit till ett av de mest aktiva forskningsområdena inom den kondenserade materiens fysik idag. Topologiska material håller löftet, till exempel, att leda till nya typer av elektroniska komponenter och superledare, och de har djupa förbindelser mellan fysik- och matematikområden.

Medan nya fenomen upptäcks rutinmässigt, det finns grundläggande aspekter som ännu inte måste lösas. En av dem är hur "starka" topologiska fenomen kan vara i ett verkligt material. Att ta upp den frågan, ett internationellt team av forskare under ledning av PSI postdoktor Niels Schröter utgör nu ett viktigt riktmärke. Skriver in Vetenskap , de rapporterar experiment där de observerade att i det topologiska semimetallet palladium gallium (PdGa) en av de vanligaste klassificerarna av topologiska fenomen, chern -numret, kan nå det maximala värdet som är tillåtet i vilken metallisk kristall som helst. Att detta är möjligt i ett verkligt material har aldrig visats tidigare. Dessutom, laget har etablerat sätt att kontrollera tecknet på Chern -numret, som kan ge nya möjligheter att utforska, och utnyttjar, topologiska fenomen.

Utvecklad maximalt

I teoretiska verk hade man förutspått att i topologiska semimetaller kan Chern -talet inte överstiga en storlek på fyra. Som kandidatsystem som visar fenomen med sådana maximala Chern-tal, kirala kristaller föreslogs. Detta är material vars gitterkonstruktioner har en väldefinierad skicklighet, i den meningen att de inte kan förvandlas till sin spegelbild genom någon kombination av rotationer och översättningar. Flera kandidatstrukturer har studerats. En avgörande experimentell observation av ett tjernantal plus eller minus fyra, dock, förblev svårfångade. De tidigare insatserna har särskilt hindrats av två faktorer. Först, en förutsättning för att realisera ett maximalt Chern-tal är närvaron av spin-orbit-koppling, och åtminstone i några av de material som har studerats hittills, att kopplingen är relativt låg, gör det svårt att lösa uppdelningen av intresse. Andra, att förbereda rena och plana ytor av relevanta kristaller har varit mycket utmanande, och som en konsekvens tenderade spektroskopiska signaturer att tvättas ut.

Schröter et al. har övervunnit båda dessa begränsningar genom att arbeta med PdGa -kristaller. Materialet uppvisar stark spin-omloppskoppling, och väletablerade metoder finns för att producera obefläckade ytor. Dessutom, vid Advanced Resonant Spectroscopies (ADRESS) beamline för den schweiziska ljuskällan vid PSI, de hade unika förmågor till sitt förfogande för ARPES-experiment med hög upplösning och därmed för att lösa de förutspådda spektroskopiska mönstren. I kombination med ytterligare mätningar vid Diamond Light Source (UK) och med dedikerade ab initio-beräkningar, dessa data avslöjade hårda och snabba signaturer i den elektroniska strukturen för PdGa som inte lämnade någon tvekan om att det maximala Chern -antalet har realiserats.

En hand på Chern -numret

Teamet gick ett steg längre, utöver observationen av ett maximalt Chern-tal. De visade att den kirala naturen hos PdGa -kristallerna erbjuder en möjlighet att kontrollera tecknet på det numret också. För att visa sådan kontroll, de odlade prover som antingen var vänster eller högerhänta (se figuren). När de sedan tittade på de elektroniska strukturerna för de två enantiomererna, de fann att kristallernas kiralitet återspeglas i den elektroniska vågfunktionens kiralitet. Tagen tillsammans, detta betyder att i kirala halvmetaller är handheten, som kan bestämmas under kristalltillväxt, kan användas för att kontrollera topologiska fenomen som uppstår från beteendet hos elektronerna i materialet. Denna typ av kontroll öppnar en mängd nya experiment. Till exempel, nya effekter kan förväntas uppstå vid gränssnittet mellan olika enantiomerer, en med chern nummer +4 och den andra med -4. Och det finns verkliga utsikter för ansökningar, för. Kirala topologiska halvmetaller kan vara värd för fascinerande fenomen som kvantiserade fotoströmmar. Intressant nog, PdGa är känt för sina katalytiska egenskaper, bjuda in frågan om topologiska fenomens roll i sådana processer.

Till sist, fynden som nu erhållits för PdGa kommer från elektroniska bandegenskaper som delas av många andra kirala föreningar – vilket betyder att hörnet av den "okända världen där materia kan anta konstiga tillstånd" som Schröter och kollegor nu har vågat sig in i sannolikt kommer att ha mycket mer att erbjuda.