En australiensisk-ledd studie använder ett scanning-tunneling mikroskop "trick" för att kartlägga elektronisk struktur i Na ₃ Bi, söker ett svar på det materialets extremt höga elektronrörlighet.

När man studerar den topologiska Dirac-halvmetallen, teamet fann att utbytes- och korrelationseffekter är avgörande för elektronhastighet, och därför rörlighet, och därmed till användningen av denna spännande klass av material i framtidens ultralågenergielektronik.

Hittills, lite har varit känt om bandspridningen av Na ₃ Bi i ledningsbandet (över Fermi-nivån), även om det har funnits lockande antydningar om att elektronernas faktiska hastighet är mycket större än teoretiska förutsägelser.

"Vi odlade tunna filmer av Na ₃ Bi och undersökte deras bandstruktur via kvasipartikelinterferens, " säger huvudförfattaren Dr. Iolanda di Bernardo.

"Våra beräkningar visade att för att förstå de extremt höga experimentella hastigheterna hos laddningsbärarna, speciellt i ledningsbandet, utbytes- och korrelationseffekter är avgörande."

Smarta knep och överraskningar

Topologiska Dirac-halvmetaller kan betraktas som 3D-motsvarigheterna till grafen:runt Fermi-nivån (där ledningselektronerna "vanligtvis" sitter) uppvisar de samma linjära bandspridning som grafen gör, vilket betyder att deras elektroner är praktiskt taget masslösa.

Detta, naturligtvis, översätter till extremt hög konduktivitet, och i detta fall, förekommer i alla tre riktningarna i rymden.

Denna linjära banddispersion förutspåddes för Na ₃ Bi, men en ordentlig kartläggning av ledningsbandet för detta material saknades fortfarande.

Att mäta bandstrukturen för material över Fermi-nivån är, faktiskt, inte en trivial uppgift - främst för att elektroner vanligtvis inte upptar dessa tillstånd.

Ett av de få sätt som detta kan åstadkommas är genom att använda ett trick baserat på skanning av tunnelspektroskopi:

"Vi skaffar "mappningar" av kvanttunnelströmmen mellan spetsen och provet vid olika förspänningar, " förklarar Iolanda.

Derivaterna av dessa mappningar visar mycket typiska mönster, härrörande från spridningen av elektronerna med störningen i provet.

Denna spridningsprocess blandar elektroner som befinner sig på samma konstantenergikonturer i det reciproka rummet, vilket görs synligt genom att ta en Fouriertransform av mappningarna.

"I vårat fall, detta gav cirklar som motsvarar snitt längs en Dirac-konliknande dispersion." (se figur).

Denna analysteknik gjorde det möjligt för teamet att rekonstruera den (linjära) bandspridningen i materialet och extrahera laddningsbärarnas hastigheter, både i valens- och ledningsbanden.

Men när dessa uppmätta banddispersioner jämfördes med teoretiska förutsägelser, det fanns ett problem:de uppmätta hastigheterna för de lägst liggande lednings- och valensbanden var signifikant högre än teoretiska förutsägelser.

Dock, teamet hittade ett sätt att avsevärt förbättra överensstämmelsen mellan mätning och teori:

"Vi använde allt mer komplicerade modeller för att beskriva vårt system, och upptäckte att när vi förbättrade behandlingen av utbytet och korrelationspotentialen i modellen (som går från PBE- till GW-metoder), vi kunde komma närmare de experimentella värdena – även om vi fortfarande observerade vissa avvikelser, " förklarar Iolanda.

Även om ursprunget till dessa oväntat starka interaktioner fortfarande är oklart, den nya studien visar att utbyteskorrelationseffekter sannolikt ligger till grund för elektronernas höga hastighet i Na ₃ Bi.

Att förstå den ultrahöga rörligheten hos bärare i topologiska Dirac-halvmetaller är ett steg mot en framgångsrik implementering av dessa material i enheter för lågenergielektronik.

Studien, med titeln "Vikten av interaktioner för bandstrukturen för den topologiska Dirac-halvmetallen Na ₃ Bi, " publicerades i juli 2020 i Fysisk granskning B .