Ett team från Rice University och dess medarbetare har upptäckt en rumstemperaturövergång mellan 1D och 2D elektriska ledningstillstånd i topologiska kristaller av vismut och jod.

Forskare fann att de kunde växla mellan materialet, kristallina kedjor av vismutjodid (Bi ₄ jag ₄ ), mellan låg- och hög ordningens ledningstillstånd vid en övergångstemperatur runt 80 grader Fahrenheit. Forskningen är tillgänglig online den här veckan i tidskriften American Physical Society Fysisk granskning X och utfördes av fysiker från Rice; University of Texas i Dallas; University of California, Berkeley; Ohio State University; och andra institutioner.

Bi ₄ jag ₄ är en topologisk isolator, ett material som är ledande på sin yta eller kanter men inte dess inre. Kristallgittret av Bi ₄ jag ₄ genomgår en subtil förändring vid övergångstemperaturen. Skiftet förändrar materialets elektroniska beteende, och studien visade denna förändring, eller "fasövergång, " är gränsen mellan 1D och 2D topologiska ledningstillstånd.

Högtemperatur 2D-tillståndet har elektrisk ledning runt fyra sidor av de rektangulära kristallerna. Risfysikerna Ming Yi, Jianwei Huang och deras medarbetare upptäckte att ledning övergick till 1D-kanter när materialet kyldes under 80 grader.

"Detta är det första beviset som tyder på att lågtemperaturtillståndet faktiskt är en topologisk isolator av högre ordning där ledning sker på kristallgångjärnen i motsats till ytorna, " sa Yi, en biträdande professor i fysik och astronomi och medförfattare till PRX-studien. "Föreställ dig att börja i högtemperaturtillstånd, där man har en isolerande bulk och ledningsytor runt materialets sidor. Så fort du går igenom denna strukturella förvrängning, ledningen är begränsad till de endimensionella gångjärnen där dessa sidor möts."

I de flesta material, skillnaderna mellan faser – som fast is eller flytande vatten – härrör från olika organisatoriska symmetrier av deras beståndsdelar. På 1980-talet fysiker upptäckte faser av materia med identiska symmetrier. Dessa visade sig så småningom härröra från topologiska egenskaper, "skyddade" kvanttillstånd som är av växande intresse för kvantberäkning.

Yi sa den dimensionella förändringen i elektrisk ledning som förmedlas av Bi ₄ jag ₄ s fasövergång skulle potentiellt kunna användas för att konstruera en elektrisk omkopplare som drivs av att temperaturen ändras.

"Denna övergång sker vid rumstemperatur, " sa Yi. "Det är en första ordningens fasövergång, vilket innebär att förändringen sker mycket plötsligt. Det är en liten förskjutning av kristallgittret som direkt påverkar den elektriska ledningen på kristallgränserna."

Huang, en postdoktor för Rice och studiens huvudförfattare, sa labb över hela världen tävlar för att hitta och katalogisera topologiskt material, och fysiker har först nyligen börjat klassificera dem i underfamiljer.

Medan Bi ₄ jag ₄ s kombination av egenskaper är unik, Huang sa att denna veckas upptäckt kan hjälpa sökandet efter liknande topologiska material.

"Våra fynd överensstämmer med nya teoretiska förutsägelser om topologiska isolatorer av högre ordning som ligger utanför räckvidden för de etablerade topologiska materialdatabaserna, " han sa.

Yis labb och samarbetspartners i UC Berkeleys lab, den samkorresponerande författaren Robert Birgeneau använde en experimentell teknik som kallas angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) för att kartlägga Bi ₄ jag ₄ s elektroniska bandfunktioner.

"ARPES är den bästa sonden för att titta på topologiska material eftersom det finns en mycket distinkt signatur som kommer att berätta om material är topologiska eller inte, " Hon sa.

För att skilja mellan 1D- och 2D-ledningstillstånden, hennes team var tvungen att titta på olika ytor, och det är extremt svårt att göra, " sa Yi.

Yi sa att kritiska bidrag kom från UT Dallas medkorresponerande författare Fan Zhang, som gav teoretisk vägledning och förutsägelse, och Bing Lv, vars labb syntetiserade Bi ₄ jag ₄ kristaller som var så mycket som en centimeter långa, en millimeter bred och hundratals mikron tjock. Storleken på kristallerna gjorde det möjligt för Huang att göra avgörande ARPES-mätningar på både toppen och sidorna av materialen.