Experimentella och teoretiska fysiker från Würzburg-institutet för topologiska isolatorer har observerat en återinträdande kvant-Hall-effekt i en kvicksilvertelluridanordning och har identifierat den som en signatur på paritetsanomali.
Topologiska isolatorer är material som kan leda elektricitet, men bara på sin yta eller kanter. Ingen ström flyter inuti dem. De är föremål för intensiv forskning över hela världen eftersom de har unika elektroniska egenskaper som kan förbättra effektiviteten hos till exempel kvantdatorer och användas för andra teknologier som kryptering och säker överföring av data.
Forskare från Institutet för topologiska isolatorer och Institutet för teoretisk fysik och astronomi vid Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) presenterar nu en ovanlig kvanthalleffekt som observerades på en mikroskopisk anordning gjord av det topologiska isolatormaterialet kvicksilvertellurid (HgTe) . Deras resultat publiceras i tidskriften Advanced Science .
I kvicksilvertelluridanordningen beter sig elektroner på över- och underytan som relativistiska Dirac-partiklar. Som förutspått, men inte experimentellt verifierat av partikelfysik, bör Dirac-partiklar vara föremål för den så kallade paritetsanomalin. I solid-state-experiment leder paritetsanomalin till en effekt som kallas spektral asymmetri, som kan mätas som en ovanlig förändring i det elektriska motståndet.
"Paritetsanomali har förutspåtts inträffa i fasta material sedan 1980-talet. Ett berömt teoretiskt förslag är den modell som föreslagits av Haldane (Nobelpriset i fysik 2016). Vi har identifierat en annan konsekvens av paritetsanomali som är den första en som ska verifieras experimentellt, säger professor Ewelina Hankiewicz.
JMU-fysikerna har insett denna tvådimensionella Dirac-fysik på en enda yta av den tredimensionella topologiska isolatorn. "Vi observerar en okonventionell återinträdande kvant-Hall-effekt som kan relateras direkt till förekomsten av spektral asymmetri i ett enda topologiskt yttillstånd. Effekten är generisk för vilken topologisk isolator som helst, inte specifik för bara kvicksilvertellurid. Resultatets universalitet är det som gör det så spännande", säger Dr Wouter Beugeling.
Två utmaningar måste övervinnas för att förverkliga dessa nya rön. Först måste signaturen för spektral asymmetri identifieras bland de andra egenskaperna i det uppmätta elektriska motståndet. För det andra måste enheten styras på ett sådant sätt att effekterna från de två ytorna inte upphävde varandra.
"Denna observation visar att den höga kontrollnivån vi har i den här enheten tillåter oss att utforska många fler intressanta aspekter av topologisk isolatorfysik än tidigare", säger professor Laurens Molenkamp.
En nyckelfaktor för att uppnå den experimentella noggrannhet som krävs för denna observation var den höga kvaliteten på HgTe-materialet, som producerades i den molekylära strålepitaxianläggningen vid Würzburg Institute of Physics. Molecular beam epitaxi (MBE) är en teknik för att producera wafer-tunna lager av material med anpassade elektroniska, optiska och magnetiska egenskaper. Med MBE kan lagerstrukturer byggas upp exakt atomlager för atomlager.
Mer information: Li-Xian Wang et al, Spectral Asymmetry Induces a Re-Entrant Quantum Hall Effect in a Topological Insulator, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202307447
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Julius-Maximilians-Universität Würzburg
