Topologiska kvantmaterial hyllas som en hörnsten i framtida tekniska framsteg. Ändå har det alltid varit en lång process att validera deras exceptionella egenskaper.
Forskare vid Cluster of Excellence ct.qmat har nu utvecklat en experimentell teknik som systematiskt identifierar tvådimensionella topologiska material genom ett snabbtest. Detta genombrott kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av denna blomstrande materialklass.
Deras resultat har publicerats i tidskriften Physical Review Letters .
2007 gav professor Laurens W. Molenkamp, en av grundarna av Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter—det första experimentella beviset på topologiska isolatorer, en ny klass av material. Dessa material sticker ut eftersom deras inre beter sig som en elektrisk isolator, leder de elektroner på sin yta utan motstånd.
Sedan den banbrytande upptäckten har det globala intresset för dessa material ökat. Detta drivs av deras avgörande roll i en potentiell materialrevolution och deras lovande tillämpningar inom kvantteknik, såsom utvecklingen av "kalla chips" som är kraftfulla, energieffektiva och inte genererar spillvärme.
"För närvarande innebär detektering av topologiska isolatorer experimentellt mycket komplex forskning. Det kräver ett stort team och en betydande tid att förbereda ett prov av materialet. Dessutom är framgångsrik upptäckt aldrig garanterad", konstaterar ct.qmats Würzburg-talesperson professor Ralph Claessen.
Men nu har ett forskarlag från ct.qmat i Würzburg tagit fram en systematisk metod för att identifiera tvådimensionella topologiska kvantmaterial på rekordtid med hjälp av en mycket enklare mätteknik. "I huvudsak, förutom ett lovande materialprov, är allt du egentligen behöver speciella röntgenstrålar", förklarar Dr Simon Moser, projektledare från JMU Würzburg.
"De erforderliga ljuspartiklarna bör vara högfrekventa och cirkulärt polariserade, vilket innebär att de har vinkelmomentum. Detta kan uppnås med vilken synkrotronljuskälla som helst.
"Till exempel bestrålades våra prover vid Elettra Sincrotrone i Trieste och vid Diamond Light Source, Storbritanniens nationella synkrotronvetenskapsanläggning vid Harwell Science and Innovation Campus i Oxfordshire."
Det som låter enkelt är faktiskt ett betydande genombrott i forskningen om topologiska kvantmaterial. "Om du säkrar en plats vid en synkrotron kan du inom ungefär en vecka avgöra om ett material är en topologisk isolator. Med den traditionella metoden kräver detta åtminstone en doktorsavhandling", konstaterar Moser.
Kärnan i den nya snabbtestmetoden ligger i dikroisk fotoemission. Materialprovet exponeras flera gånger för högfrekvent ljus med varierande polarisation. Till en början frigörs till exempel bara elektroner som roterar medurs från materialet. Därefter frigörs bara de elektroner som roterar moturs.
Att upptäcka de olika rotationsriktningarna för elektroner med hjälp av dikroisk fotoemission och på så sätt avslöja deras topologi är inte en ny idé. År 2023 använde ett annat ct.qmat-team från Würzburg denna metod för att analysera topologin hos en kagomemetall för första gången.
"De använde cirkulär fotoemission för att undersöka kagomemetallen. Vi fokuserade på metodiken och utvecklade ett slags recept som nu alltid fungerar, inte bara av en slump", säger Moser och förklarar sitt teams nya tillvägagångssätt. "Vårt snabbtest gör systematiskt elektronernas topologi synlig."
Eftersom forskarna har en lång erfarenhet av att undersöka det tvådimensionella kvantmaterialet indenen, använde de även detta material för att utveckla snabbtestmetoden. Dessutom tillämpar de redan principen på andra material. Ett nyligen genomfört experiment involverade bestrålning av ett vismutenprov, och data kommer att analyseras inom kort.
