Precis som en bok inte kan bedömas efter dess omslag, kan ett material inte alltid bedömas efter dess yta. Men för en svårfångad förmodad klass av material har fysiker nu visat att ytan som tidigare ansågs vara "funktionslös" har en omisskännlig signatur som kan leda till den första definitiva observationen.

Topologiska isolatorer av högre ordning, eller HOTI, har uppmärksammats för sin förmåga att leda elektricitet längs endimensionella linjer på sina ytor, men denna egenskap är ganska svår att experimentellt skilja från andra effekter. Genom att istället studera interiören av dessa material från ett annat perspektiv, har ett team av fysiker identifierat en ytsignatur som är unik för HOTIs som kan avgöra hur ljus reflekteras från deras ytor.

Som teamet rapporterar i tidskriften Nature Communications, denna egenskap skulle kunna användas för att experimentellt bekräfta förekomsten av sådana topologiska tillstånd i verkliga material.

"Huvuddelen eller interiöregenskaperna hos HOTI:er och andra topologiska isolatorer har under lång tid uteslutits, men det visar sig att mycket intressanta saker pågår där också", säger Barry Bradlyn, fysikprofessor vid University of Illinois Urbana-Champaign och en projektledare. "När vi tittade på ytorna genom en mer noggrann lins, stack de omedelbart ut som långt ifrån triviala eller särdragslösa."

Under lång tid har topologiska isolatorer noterats för sin förmåga att bära elektriska strömmar på sina ytor samtidigt som de har isolerande interiörer. HOTIs skulle dock begränsa elektrisk ledning till en endimensionell kant, eller "gångjärn", snarare än hela den tvådimensionella ytan.

"Charles Kane, som upptäckte topologiska isolatorer, introducerade en bra analogi", säger Benjamin Wieder, fakultetsmedlem vid Institut de Physique Théorique, Université Paris-Saclay och projektledare. "Vi kan tänka på vanliga topologiska isolatorer som Hershey's Kisses. En ledande metallfolie lindad runt en isolator som inte leder elektricitet, chokladen i det här fallet, är ett ganska bra sätt att förstå dem. Med HOTIs är det dock som om någon tog folien och skrynklade ihop den till en tunn ring som omgav chokladen."

Medan ytledande tillstånd har observerats i standardtopologiska isolatorer, har det visat sig vara exceptionellt svårt att lösa upp gångjärnet i HOTIs. Bradlyn förklarade att denna egenskap endast kan existera i materialprover som har en ovanligt hög grad av symmetri, vilket betyder att deras kristallstrukturer måste vara orealistiskt perfekta.

Istället vände Bradlyn och hans medarbetare sin uppmärksamhet från gångjärnstillståndet till det inre, där elektronerna tenderar att "delokalisera" från enskilda atomer och spridas genom hela materialet. Till skillnad från tidigare studier som behandlar alla elektroner lika, övervägde forskarna skillnader i spinn – en egenskap hos elektroner som gör att de kan bete sig som miniatyrmagneter.

"När vi delade in de inre elektronerna i deras två möjliga spinntillstånd, upp och ner, såg vi att varje tillstånd lämnar en unik ytsignatur", säger Kuan-Sen Lin, doktorand i fysik vid U. of I. och studiens huvud författare. "Även om ytan på en HOTI verkar ointressant, när du tittar på vad varje snurr gör separat på ytan, uppstår ett omisskännligt nytt beteende som vi hoppas snart kommer att mätas i experiment."

Eftersom elektroner med olika spinn beter sig som magneter, reagerar de annorlunda när elektrisk spänning appliceras på materialet, vilket gör att de två spinntillstånden ackumuleras på motsatta sidor. Denna ackumulering kan detekteras genom att dra fördel av den magnetoptiska Kerr-effekten, där polariseringen, eller orienteringen av ljuset, ändras när det reflekteras från en magnets yta. I fallet med HOTIs beräknade forskarna polarisationsförändringen från varje spinntillstånd, och de fann att det var exakt hälften av förändringen som skulle bli resultatet av en vanlig isolator.

"I Kiss-analogin kan vi förvänta oss att eftersom folien har skrynklats är chokladen i direkt kontakt med luften", säger Gregory Fiete, fysikprofessor vid Northeastern University och motsvarande författare om studien. "Med de spinnberoende ytbeteenden vi hittade kan vi säga att det faktiskt finns ett genomskinligt lager som håller chokladen åtskild från resten av snabbköpet."

Genom att bygga på beräkningar med de första principerna med den specialiserade teoretiska verktygslåda som forskarna utvecklade för denna studie, identifierade de metallen vismutbromid som en mycket stark kandidat för att observera denna effekt. De arbetar för närvarande med U. of I. fysikprofessor Fahad Mahmood och U. of I. materialvetenskap &ingenjörsprofessor Daniel Shoemaker för att designa och utföra experimenten som föreslås i denna studie.

"Egenskaperna hos HOTIs som vi identifierade här skulle vara mycket användbara i kvantberäkningar och spintroniska enheter, men vi måste se dem i experiment först," sa Bradlyn. Wieder tillade, "Vi hoppas att vårt arbete visar att insidan och ytorna av topologiska material fortfarande är värd för många mystiska och fördelaktiga egenskaper om du vet hur man letar efter dem."

De första principberäkningarna på vismutbromid utfördes av Zhaopeng Guo och Zhijun Wang från den kinesiska vetenskapsakademin. Ytterligare beräkningsstöd gavs av Jeremey Blackburn från Binghamton University. Giandomenico Palumbo från Dublin Institute for Advanced Studies och Yoonseok Hwang från U. of I. bidrog också till detta arbete.

Mer information: Kuan-Sen Lin et al, Spin-resolved topology and partial axion angles in three-dimensional isolators, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44762-w

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering