Elektroner i ett fast ämne upptar distinkta energiband åtskilda av luckor. Energibandgap är ett elektroniskt "ingenmansland, "ett energiområde där inga elektroner är tillåtna. Nu, forskare som studerar en förening som innehåller järn, tellur, och selen har funnit att ett energibandgap öppnar sig vid en punkt där två tillåtna energiband skär varandra på materialets yta. De observerade detta oväntade elektroniska beteende när de kylde materialet och undersökte dess elektroniska struktur med laserljus. Deras resultat, redovisas i Förfaranden från National Academy of Sciences , kan få konsekvenser för framtida kvantinformationsvetenskap och elektronik.

Den speciella föreningen tillhör familjen av järnbaserade högtemperatursupraledare, som först upptäcktes 2008. Dessa material leder inte bara elektricitet utan motstånd vid relativt högre temperaturer (men fortfarande mycket kalla sådana) än andra klasser av supraledare utan uppvisar också magnetiska egenskaper.

"Ett tag, folk trodde att supraledning och magnetism skulle arbeta mot varandra, " sa första författaren Nader Zaki, en vetenskaplig associerad i Electron Spectroscopy Group of the Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. "Vi har utforskat ett material där båda utvecklas samtidigt."

Förutom supraledning och magnetism, vissa järnbaserade supraledare har de rätta förutsättningarna att vara värd för "topologiska" yttillstånd. Förekomsten av dessa unika elektroniska tillstånd, lokaliserad på ytan (de finns inte i huvuddelen av materialet), återspeglar starka interaktioner mellan en elektronns snurrning och dess orbitalrörelse runt atomkärnan.

"När du har en superledare med topologiska ytegenskaper, du är upphetsad av möjligheten till topologisk supraledning, " sa motsvarande författare Peter Johnson, ledare för Electron Spectroscopy Group. "Topologisk supraledning är potentiellt kapabel att stödja Majorana-fermioner, som kan fungera som qubits, de informationslagrande byggstenarna för kvantdatorer. "

Kvantdatorer lovar enorma hastigheter för beräkningar som skulle ta opraktisk tid eller vara omöjliga på traditionella datorer. En av utmaningarna med att förverkliga praktisk kvantberäkning är att qubits är mycket känsliga för sin miljö. Små interaktioner gör att de tappar sitt kvanttillstånd och därmed går lagrad information förlorad. Teorin förutspår att Majorana-fermioner (eftertraktade kvasipartiklar) som finns i supraledande topologiska yttillstånd är immuna mot miljöstörningar, vilket gör dem till en idealisk plattform för robusta qubits.

Att se de järnbaserade supraledarna som en plattform för en rad exotiska och potentiellt viktiga fenomen, Zaki, Johnson, och deras kollegor försökte förstå topologins roller, supraledning och magnetism.

CMPMS Division senior fysiker Genda Gu odlade först högkvalitativa enkristaller av den järnbaserade föreningen. Sedan, Zaki kartlade materialets elektroniska bandstruktur via laserbaserad fotoemissionsspektroskopi. När ljus från en laser fokuseras på en liten fläck på materialet, elektroner från ytan "sparkas ut" (dvs. fotoemitterad). Energin och rörelsemängden för dessa elektroner kan sedan mätas.

När de sänkte temperaturen, något överraskande hände.

"Materialet gick superledande, som vi förväntade oss, och vi såg ett supraledande gap förknippat med det, "sa Zaki." Men vad vi inte förväntade oss var det topologiska yttillståndet som öppnade ett andra gap vid Dirac -punkten. Du kan föreställa dig energibandstrukturen i detta yttillstånd som ett timglas eller två kottar fästa vid spetsen. Där dessa kottar skär varandra kallas Dirac -punkten. "

Som Johnson och Zaki förklarade, när en lucka öppnar sig vid Dirac-punkten, det är ett bevis på att tidsreverseringssymmetri har brutits. Tidsomkastningssymmetri innebär att fysikens lagar är desamma oavsett om du tittar på ett system som går framåt eller bakåt i tiden - liknande att spola tillbaka en video och se samma sekvens av händelser spelas baklänges. Men under tidsomvändning, elektronspinn ändrar sin riktning och bryter denna symmetri. Således, ett av sätten att bryta tidsreverseringssymmetri är genom att utveckla magnetism – specifikt, ferromagnetism, en typ av magnetism där alla elektron -snurrar justeras parallellt.

"Systemet går in i supraledande tillstånd och till synes magnetism utvecklas, "sa Johnson." Vi måste anta att magnetismen finns i ytområdet eftersom den i denna form inte kan samexistera i bulk. Denna upptäckt är spännande eftersom materialet har en mängd olika fysik i sig:supraledning, topologi, och nu magnetism. Jag gillar att säga att det är one-stop shopping. Att förstå hur dessa fenomen uppstår i materialet skulle kunna ge en grund för många nya och spännande tekniska riktningar."

Som tidigare noterats, materialets supraledning och starka spin-omloppseffekter skulle kunna utnyttjas för kvantinformationsteknik. Alternativt, materialets magnetism och starka spin-omloppsinteraktioner skulle kunna möjliggöra förlustfri (ingen energiförlust) transport av elektrisk ström i elektronik. Denna förmåga skulle kunna utnyttjas för att utveckla elektroniska enheter som förbrukar låga mängder ström.

Medförfattare Alexei Tsvelik, senior vetenskapsman och gruppledare för CMPMS Division Condensed Matter Theory Group, och Congjun Wu, professor i fysik vid University of California, San Diego, gav teoretiska insikter om hur tidsomkastningssymmetri bryts och magnetism har sitt ursprung i ytregionen.

"Denna upptäckt avslöjar inte bara djupa samband mellan topologiska supraledande tillstånd och spontan magnetisering utan ger också viktiga insikter i karaktären av supraledande gapfunktioner i järnbaserade supraledare - ett enastående problem i undersökningen av starkt korrelerade okonventionella supraledare, "sa Wu.

I en separat studie med andra medarbetare i CMPMS -avdelningen, experimentteamet undersöker hur olika koncentrationer av de tre elementen i provet bidrar till de observerade fenomenen. Till synes, tellur behövs för de topologiska effekterna, för mycket järn dödar supraledning, och selen ökar supraledningsförmågan.

I uppföljande experiment, teamet hoppas kunna verifiera tidsomkastningssymmetrin som bryter mot andra metoder och utforska hur substituerande element i föreningen ändrar dess elektroniska beteende.

"Som materialvetare, vi gillar att ändra ingredienserna i blandningen för att se vad som händer, ", sa Johnson. "Målet är att ta reda på hur supraledning, topologi, och magnetism samverkar i dessa komplexa material."