Dubbla topologiska faser har upptäckts i en inneboende enskiktskristall, ett fynd som avslöjar nya och unika regelböjande egenskaper i ett kvantmaterial, rapporterade ett internationellt team av forskare ledda av Boston College-fysiker nyligen i onlineversionen av tidskriften Naturen .
Upptäckten av en dubbel topologisk isolator introducerar en ny metod för att skapa topologiska platta miniband genom elektroninteraktioner, som erbjuder en lovande plattform för att utforska exotiska kvantfaser och elektromagnetism, rapporterade teamet.
"Vi har experimentellt producerat högkvalitativa, atomärt tunna prover av TaIrTe4 och utvecklat motsvarande elektroniska enheter," Boston College biträdande professor i fysik Qiong Ma, huvudförfattaren till rapporten. "Det som är särskilt spännande är vår upptäckt av inte bara ett, utan två topologiska isolerande tillstånd, bortom teorins förutsägelser."
Fynden introducerar en ny effekt som teamet kallar den dubbla topologiska isolatorn eller den dubbla kvantspinn Hall-isolatorn, sa Ma.
Exceptionellt tunna, tvådimensionella lager av ett kristallint material som kallas TaIrTe4 , skapad av tantal, iridium och tellur, var i fokus för teamet av forskare från BC, MIT, Harvard University, UCLA, Texas A&M, University of Tennessee, Singapores Nanyang Technological University, Chinese Academy of Sciences och Japans nationella Institutet för materialvetenskap.
Varje lager är mindre än 1 nanometer tjockt - det är över 100 000 gånger tunnare än ett hårstrå. Dessa lager, eller "flingor", skalades försiktigt bort från en större kristall med en enkel metod med genomskinlig tejp, en Nobelprisbelönad teknik som används allmänt inom materialvetenskap.
"Vår undersökning syftade till att förstå hur dessa material leder elektricitet," sa Ma. "Med tanke på den ringa storleken på dessa material använde vi avancerade nanotillverkningstekniker, inklusive fotolitografi och elektronstrålelitografi, för att etablera elektriska kontakter i nanostorlek."
Ma sa att projektets primära mål var att testa den teoretiska förutsägelsen som tyder på den tunnaste TaIrTe4 lager fungerar som en tvådimensionell topologisk isolator – även känd som en quantum spin Hall-isolator – ett nytt material där dess inre är isolerande och elektricitet flyter längs dess gränser utan någon energiförlust. Denna unika kombination gör dessa material till ett fokus för forskare som försöker utveckla framtida generationer av energieffektiva elektroniska enheter.
Genom manipulering av specifika parametrar – kallade gate-spänningar – hittade teamet TaIrTe4 s övergång mellan de två distinkta topologiska tillstånden, sa Ma. I båda fallen uppvisar materialet noll elektrisk ledningsförmåga inom sitt inre, medan dess gränser förblir ledande. Genom systematisk experimentell och teoretisk undersökning har vi fastställt att dessa två topologiska tillstånd härrör från olika ursprung.
Fynden, som översteg de teoretiska förutsägelserna, överraskade forskarna.
"Vanligtvis ökar tillsättning av elektroner till ett material dess ledningsförmåga på grund av det större antalet laddnings- eller elbärare," sa Ma. "Inledningsvis betedde vårt system sig som förväntat och blev mer ledande med tillsats av elektroner.
"Men bortom en viss punkt, tillförde fler elektroner oväntat det inre isolerande igen, med elektrisk ledning endast vid gränserna och utan energiförlust, vilket är exakt igen en topologisk isoleringsfas precis som vid startpunkten när det inre inte har några elektroner Denna övergång till en andra topologisk isoleringsfas är helt oväntad."
Ma sa att framtida arbete med upptäckten inkluderar samarbeten med grupper som är skickliga på andra specialiserade tekniker, som nanoskaliga avbildningssonder, för att ytterligare förstå det oväntade beteendet.
"Vi kommer också att fokusera på att förfina vårt materials kvalitet för att förbättra den redan imponerande avledningslösa topologiska ledningen," sa Ma. "Dessutom planerar vi att bygga heterostrukturer baserade på detta nya material för att låsa upp ännu mer spännande fysiska beteenden."
Vid Boston College samarbetade Ma med professorerna i fysik Kenneth Burch och Ziqiang Wang; personal vid universitetets renrum; BC postdoktorer Jian Tang, Zumeng Huang och Zhe Sun; doktorander Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich och Yiping Wang; och Zihan Wang, en gästforskare på grundutbildningen.
Mer information: Jian Tang et al, Dual quantum spin Hall-isolator genom densitetsinställda korrelationer i TaIrTe4 , Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Boston College
