Röntgendiffraktionsintensiteter registrerade i närheten av (620, 000) huvudreflektion av laddningsdensitetsvågfasen (CDW) i den topologiska Weyl-halvmetallen (TaSe 4 ) 2 I. Små (röda) index märker satellitreflektioner. CDW länkar och brister i Weyl -punkterna. Upphovsman:MPI of Microstructure Physics
Topologiska material kännetecknas av unika elektroniska och fysiska egenskaper som bestäms av den underliggande topologin i deras elektroniska system. Forskare från Max Planck -instituten för mikrostrukturfysik (Halle) och för kemisk fysik i fasta ämnen (Dresden) har nu upptäckt att (TaSe 4 ) 2 I är det första materialet där en laddningsdensitetsvåg inducerar en fasövergång mellan halvmetall- till isolatortillståndet.
Ett internationellt team av forskare vid Max Planck Institute for Microstructure Physics, Halle (Saale), Max Planck -institutet för kemisk fysik av fasta ämnen i Dresden, Oxford universitet, Kinesiska vetenskapsakademien, MIT, och Princeton University har upptäckt det första exemplet på en korrelationsdriven topologisk halvmetall till isolator fasövergång i enstaka kristaller i materialet (TaSe 4 ) 2 I. Under de senaste åren har det varit ett ökande intresse för topologiska material som visar unika elektroniska och fysiska egenskaper som härrör från den underliggande topologin i deras elektroniska system. (TaSe 4 ) 2 I är ett ovanligt material som är känt för att genomgå en strukturell förvrängning strax under rumstemperatur till följd av en laddningsdensitetsvåg.
På grund av elektronkorrelationer blir elektrongasen i systemet instabil till en långsiktig periodisk variation av elektronladdningstätheten som är intimt kopplad till en periodisk modulering av atompositionerna i kristallstrukturen. Samtidigt har samma material visat sig vara en topologisk metall av en viss typ, nämligen en Weyl-halvmetall. Denna typ av topologisk metall har ett elektroniskt system som visar Weyl -punkter där linjärt dispergerande elektroniska band korsar varandra utan att bilda ett energibandsgap. Dessa Weyl pekar på (TaSe 4 ) 2 Jag kommer i par, var och en har en motsatt kiralitet, och författarna till tidningen visar att (TaSe 4 ) 2 Jag har 24 par sådana punkter med en motsvarande enorm så kallad kiral laddning på +16.
I studien publicerad i tidskriften Naturfysik, med hjälp av en uppsättning sofistikerade experimentella sonder för den elektroniska och kristallstrukturen, det internationella laget, vars medlemmar inkluderar experimentalisterna Claudia Felser, Direktör vid Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Holger Meyerheim, en forskare, och Stuart Parkin, Direktör, vid Max Planck Institute for Microstructure Physics, Yulin Chen från Oxford University, och teoretikern Andrei Bernevig från Princeton University, visade att de topologiska egenskaperna hos denna förening är intimt kopplade till laddningstäthetsvåg, vars vågvektor härleds från förbindelserna mellan Weyl-punkter med motsatt kiral laddning.
"Det var väldigt utmanande, men väldigt spännande, för att identifiera laddningstäthetsvåg i detta material. Vi behövde använda mycket lysande röntgenkällor tillgängliga, till exempel, vid European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, att hitta de mycket svaga diffraktionstoppsignaturerna för laddningstäthetsvåg, "Påpekade Meyerheim. När provet kyls ned driver starka elektronkorrelationer systemet till laddningstäthetsvågtillståndet vilket resulterar i en övergång från en topologisk Weyl-halvmetall till en isolator. Samtidigt, ny fysik, rapporterade i en tidigare uppsats av samma grupper, visas under övergången.
"Vem skulle ha trott att vi skulle ha hittat en så sofistikerad korrelerad elektronfysik i ett sådant 1-D-material, "påpekar Felser. Detta arbete visar ett intimt samband mellan topologi och korrelationer och ger en möjlighet att observera förverkligade förverkliganden av axionelektrodynamik-en ny typ av koppling mellan elektriska och magnetiska fält-i en regim som tidigare var otillgänglig. Även om detta är ett första exempel, "våra beräkningar av de elektroniska strukturerna för många material gör oss säkra på att det måste finnas många fler sådana system där korrelationer och topologi sammanflätas", konstaterade Bernevig och "vi är glada att leta efter dem i experiment, "tillade Yulin. Genom att manipulera starten på laddningstäthetsvågen kan man få direkt tillgång till den Topological Weyl Semimetal — Axion Isolator -övergången." Dessa material är en rik lekplats för potentiella applikationer i framtida elektroniska enheter, ett nytt fält med vad du kan kalla "topaxtronics!" Stuart Parkin förutspår.
