Ny forskning om topologiska faser av materia kan stimulera framsteg inom innovativa kvantanordningar. Som beskrivs i en ny artikel publicerad i tidskriften Nature Communications , använde ett forskarlag inklusive Los Alamos National Laboratory-forskare en ny töjningsteknik för att omvandla materialet hafniumpentatellurid (HfTe5 ) till en stark topologisk isolatorfas, vilket ökar dess bulkelektriska resistans samtidigt som den sänks vid ytan, en nyckel till att låsa upp dess kvantpotential.
"Jag är glad över att vårt team kunde visa att de svårfångade och mycket eftertraktade topologiska yttillstånden kan fås att bli en dominerande elektrisk ledningsväg", säger Michael Pettes, forskare vid Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) på laboratoriet.
"Detta är lovande för utvecklingen av typer av kvantoptoelektroniska enheter, mörk materiedetektorer och topologiskt skyddade enheter som kvantdatorer. Och den metod som vi visar är kompatibel för experiment med andra kvantmaterial."
Vid University of California, Irvine, odlade medlemmar av forskargruppen HfTe5 kristaller och använde ett töjningstekniskt tillvägagångssätt – applicering av mekanisk kraft på materialet – vid kryogena temperaturer på 1,5 Kelvin, eller ungefär minus 457 grader Fahrenheit.
Vid Pettes CINT-laboratorium i Los Alamos genomgick proverna optisk spektroskopi för att avbilda provet på submikronnivå. CINT-forskare utförde sedan vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi vid University of Tennessee, och hjälpte till att belysa effekterna av stamtekniken.
Forskargruppen insåg att töjningstekniken förändrade beteendet hos HfTe5 , vilket gör den från en svag topologisk isolator till en stark topologisk isolator. Det vill säga materialets elektriska resistivitet, eller motståndet mot att släppa igenom elektrisk ström, ökade med mer än tre storleksordningar.
Materialet såg också dess topologiska yttillstånd dominera den elektroniska transporten. Dessa egenskaper kan göra HfTe5 väl lämpad för kvantenheter. De lovande resultaten bådar också gott för att utvidga det töjningstekniska tillvägagångssättet till studiet av topologiska fasövergångar i van der Waals-material och heterostrukturer, gitterliknande strukturer som kännetecknas av en stark bindning i planet och en svag bindning utanför planet mellan atomer eller molekyler, som sidorna i en bok.
När den studeras med ett högt magnetfält kan den nyupptäckta topologiska egenskapen hjälpa till att avslöja fenomen relaterade till exotisk fysik som kvantanomalier, det oförklarade brytandet av symmetri i fysiken. Nya experiment utförs vid Los Alamos National High Magnetic Field Laboratory – Pulsed Field Facility ämne HfTe5 att anstränga sig under ultrahöga magnetfält upp till 65 Tesla.
Mer information: Jinyu Liu et al, Kontrollerbar töjningsdriven topologisk fasövergång och dominerande yttillståndstransport i HfTe5, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44547-7
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Los Alamos National Laboratory
