Fysiker har observerat en ny kvanteffekt som kallas "hybridtopologi" i ett kristallint material. Detta fynd öppnar upp ett nytt utbud av möjligheter för utveckling av effektiva material och teknologier för nästa generations kvantvetenskap och ingenjörskonst.
Fyndet, publicerat i Nature , kom när Princeton-forskare upptäckte att en elementär fast kristall gjord av arsenikatomer (As) är värd för en aldrig tidigare observerad form av topologiskt kvantbeteende. De kunde utforska och avbilda detta nya kvanttillstånd med hjälp av ett scanning tunneling microscope (STM) och fotoemissionsspektroskopi, den senare en teknik som används för att bestämma den relativa energin hos elektroner i molekyler och atomer.
Detta tillstånd kombinerar, eller "hybridiserar", två former av topologiskt kvantbeteende - kanttillstånd och yttillstånd, som är två typer av tvådimensionella kvantelektronsystem. Dessa har observerats i tidigare experiment, men aldrig samtidigt i samma material där de blandas för att bilda ett nytt materiatillstånd.
"Det här fyndet var helt oväntat", säger M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskningen. "Ingen förutspådde det i teorin innan det observerades."
Under de senaste åren har studiet av materiens topologiska tillstånd väckt stor uppmärksamhet bland fysiker och ingenjörer och är för närvarande i fokus för mycket internationellt intresse och forskning. Detta studieområde kombinerar kvantfysik med topologi – en gren av teoretisk matematik som utforskar geometriska egenskaper som kan deformeras men inte förändras i sig.
I mer än ett decennium har forskare använt vismut (Bi)-baserade topologiska isolatorer för att demonstrera och utforska exotiska kvanteffekter i fasta ämnen, främst genom att tillverka sammansatta material, som att blanda Bi med selen (Se), till exempel. Detta experiment är dock första gången topologiska effekter har upptäckts i kristaller gjorda av grundämnet As.
"Sökningen och upptäckten av nya topologiska egenskaper hos materia har framstått som en av de mest eftertraktade skatterna i modern fysik, både ur en grundläggande fysiksynpunkt och för att hitta potentiella tillämpningar inom nästa generations kvantvetenskap och teknik," sa Hasan. "Upptäckten av detta nya topologiska tillstånd gjord i ett elementärt fast material möjliggjordes av flera innovativa experimentella framsteg och instrumentering i vårt labb i Princeton."
En elementär fast substans fungerar som en ovärderlig experimentell plattform för att testa olika topologikoncept. Hittills har vismut varit det enda elementet som är värd för en rik gobeläng av topologi, vilket har lett till två decennier av intensiv forskningsverksamhet. Detta beror delvis på materialets renhet och lättheten att syntetisera. Men den nuvarande upptäckten av ännu rikare topologiska fenomen inom arsenik kommer potentiellt att bana väg för nya och varaktiga forskningsriktningar.
"För första gången visar vi att i likhet med olika korrelerade fenomen kan distinkta topologiska ordningar också interagera och ge upphov till nya och spännande kvantfenomen," sa Hasan.
Ett topologiskt material är huvudkomponenten som används för att undersöka kvanttopologins mysterier. Den här enheten fungerar som en isolator i sitt inre, vilket innebär att elektronerna inuti inte är fria att röra sig och därför inte leder elektricitet.
Elektronerna på enhetens kanter är dock fria att röra sig, vilket betyder att de är ledande. Dessutom, på grund av topologins speciella egenskaper, hindras elektronerna som strömmar längs kanterna inte av några defekter eller deformationer. Denna typ av anordning har potentialen att inte bara förbättra tekniken utan också skapa en större förståelse för själva materien genom att undersöka kvantelektroniska egenskaper.
Hasan noterade att det finns ett stort intresse för att använda topologiska material för praktiska tillämpningar. Men två viktiga framsteg måste ske innan detta kan förverkligas. För det första måste kvanttopologiska effekter manifesteras vid högre temperaturer. För det andra måste enkla och elementära materialsystem (som kisel för konventionell elektronik) som kan vara värd för topologiska fenomen hittas.
"I våra labb har vi ansträngningar i båda riktningarna - vi söker efter enklare materialsystem med lätthet att tillverka där viktiga topologiska effekter kan hittas", säger Hasan. "Vi letar också efter hur dessa effekter kan fås att överleva i rumstemperatur."
Upptäcktens rötter ligger i hur kvanthalleffekten fungerar – en form av topologisk effekt som var föremål för Nobelpriset i fysik 1985. Sedan dess har topologiska faser studerats, och många nya klasser av kvantmaterial med topologiska elektroniska strukturer har hittats. Framför allt vann Daniel Tsui, Arthur Legrand Doty-professorn i elektroteknik, emeritus, vid Princeton, 1998 års Nobelpris i fysik för att ha upptäckt den fraktionerade kvanthalleffekten.
På liknande sätt vann F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton, 2016 års Nobelpris i fysik för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och en typ av tvådimensionell (2D) topologisk isolator. Efterföljande teoretiska utvecklingar visade att topologiska isolatorer kan ta formen av två kopior av Haldanes modell baserad på elektronens spin-omloppsinteraktion.
Hasan och hans forskargrupp har följt i dessa forskares fotspår genom att undersöka andra aspekter av topologiska isolatorer och leta efter nya materiatillstånd. Detta ledde dem, 2007, till upptäckten av de första exemplen på tredimensionella (3D) topologiska isolatorer. Sedan dess har Hasan och hans team varit på ett decenniumlångt sökande efter ett nytt topologiskt tillstånd i dess enklaste form som också kan fungera vid rumstemperatur.
"En lämplig atomkemi och strukturdesign kopplad till teorin om de första principerna är det avgörande steget för att göra den topologiska isolatorns spekulativa förutsägelse realistisk i en högtemperaturmiljö", sa Hasan.
"Det finns hundratals kvantmaterial, och vi behöver både intuition, erfarenhet, materialspecifika beräkningar och intensiva experimentella ansträngningar för att så småningom hitta rätt material för djupgående utforskning. Och det tog oss på en decennielång resa med att undersöka många vismut -baserade material, vilket leder till många grundläggande upptäckter."
Vismutbaserade material är kapabla, åtminstone i princip, att ta emot ett topologiskt tillstånd av materia vid höga temperaturer. Dessa kräver dock komplexa materialberedning under ultrahöga vakuumförhållanden, så forskarna bestämde sig för att utforska flera andra system. Postdoktor Md. Shafayat Hossain föreslog en kristall gjord av arsenik eftersom den kan odlas i en form som är renare än många vismutföreningar.
När Hossain och Yuxiao Jiang, en doktorand i Hasan-gruppen, vände STM på arsenikprovet, möttes de med en dramatisk observation – grå arsenik, en form av arsenik med ett metalliskt utseende, hyser både topologiska yttillstånd och kanttillstånd samtidigt.
"Vi blev förvånade. Grå arsenik skulle bara ha yttillstånd. Men när vi undersökte de atomära stegkanterna hittade vi också vackra ledande kantlägen", sa Hossain.
"En isolerad stegkant i ett lager bör inte ha ett spaltfritt kantläge", tillade Jiang, en av studiens första författare.
Detta är vad man ser i beräkningar av Frank Schindler, en postdoktor och teoretiker för kondenserad materia vid Imperial College London i Storbritannien, och Rajibul Islam, en postdoktor vid University of Alabama i Birmingham, Alabama. Båda är medförfattare till tidningen.
"När en kant väl har placerats ovanpå bulkprovet hybridiserar yttillstånden med de gapade tillstånden på kanten och bildar ett gapfritt tillstånd", sa Schindler.
"Det här är första gången vi har sett en sådan hybridisering", tillade han.
Fysiskt förväntas inte ett sådant gapfritt tillstånd på stegkanten för varken starka eller högre ordningens topologiska isolatorer separat utan endast för hybridmaterial där båda typerna av kvanttopologi är närvarande. Detta gapfria tillstånd skiljer sig också från yt- eller gångjärnstillstånd i starka respektive högre ordningens topologiska isolatorer. Detta innebar att den experimentella observationen av Princeton-teamet omedelbart indikerade en aldrig tidigare observerad typ av topologiskt tillstånd.
David Hsieh, ordförande för fysikavdelningen vid Caltech och en forskare som inte var involverad i studien, pekade på studiens innovativa slutsatser.
"Vanligtvis anser vi att bulkbandstrukturen för ett material faller i en av flera distinkta topologiska klasser, var och en knuten till en specifik typ av gränstillstånd," sa Hsieh. "Detta arbete visar att vissa material samtidigt kan delas in i två klasser. Mest intressant är att gränstillstånden som uppstår från dessa två topologier kan interagera och rekonstruera till ett nytt kvanttillstånd som är mer än bara en överlagring av dess delar."
Forskarna underbyggde ytterligare mätningarna av scanningstunnelmikroskopi med systematisk högupplöst vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi.
"Det grå As-provet är mycket rent, och vi hittade tydliga signaturer av ett topologiskt yttillstånd", säger Zi-Jia Cheng, en doktorand i Hasan-gruppen och en av de första författare till tidningen som utförde några av fotoemissionsmätningarna .
Kombinationen av flera experimentella tekniker gjorde det möjligt för forskarna att undersöka den unika bulk-ytkantsöverensstämmelse som är associerad med det hybridtopologiska tillståndet – och bekräfta de experimentella fynden.
Effekten av denna upptäckt är tvåfaldig. Observationen av det kombinerade topologiska kantläget och yttillståndet banar väg för att konstruera nya topologiska elektrontransportkanaler. Detta kan möjliggöra utformningen av ny kvantinformationsvetenskap eller kvantberäkningsenheter.
Princeton-forskarna visade att de topologiska kantlägena endast finns längs specifika geometriska konfigurationer som är kompatibla med kristallens symmetrier, vilket belyser en väg för att designa olika former av framtida nanoenheter och spinnbaserad elektronik.
Ur ett bredare perspektiv gynnas samhället när nya material och egenskaper upptäcks, sa Hasan. I kvantmaterial har identifieringen av elementära fasta ämnen som materialplattformar, såsom antimon som är värd för en stark topologi eller vismut som är värd för en topologi av högre ordning, lett till utvecklingen av nya material som har gynnat området topologiska material oerhört.
"Vi föreställer oss att arsenik, med sin unika topologi, kan fungera som en ny plattform på liknande nivå för att utveckla nya topologiska material och kvantenheter som för närvarande inte är tillgängliga via befintliga plattformar," sa Hasan.
Princeton-gruppen har designat och byggt nya experiment för utforskning av topologiska isolatormaterial i över 15 år. Mellan 2005 och 2007 upptäckte teamet under ledning av Hasan till exempel topologisk ordning i en tredimensionell vismut-antimon i bulk, en halvledande legering och relaterade topologiska Dirac-material med hjälp av nya experimentella metoder.
Detta ledde till upptäckten av topologiska magnetiska material. Mellan 2014 och 2015 upptäckte och utvecklade de en ny klass av topologiska material som kallas magnetiska Weyl-halvmetaller.
Forskarna tror att detta fynd kommer att öppna dörren till en mängd framtida forskningsmöjligheter och tillämpningar inom kvantteknologi, särskilt inom så kallade "gröna" teknologier.
"Vår forskning är ett steg framåt för att demonstrera potentialen hos topologiska material för kvantelektronik med energibesparande tillämpningar," sa Hasan.
Mer information: M. Zahid Hasan, Ett hybridtopologiskt kvanttillstånd i ett elementärt fast ämne, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07203-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Princeton University
