(Phys.org)—I bulk, topologiska isolatorer (TI) är bra isolatorer, men på sin yta fungerar de som metaller, med en vridning:spinnet och riktningen för elektroner som rör sig över ytan av en TI låses ihop. TI erbjuder unika möjligheter att kontrollera elektriska strömmar och magnetism, och ny forskning av ett team av forskare från Kina och USA, arbetar med Berkeley Labs Alexei Fedorov vid beamline 12.0 vid Advanced Light Source, pekar på sätt att manipulera deras yttillstånd.

grafen, ett enda lager av kolatomer, delar en spännande egenskap med TIs. I båda, deras bandstrukturer – de energier vid vilka elektroner flödar fritt i ett ledningsband eller är bundna till atomer i ett valensband – är helt olik de överlappande banden av metaller, de vitt åtskilda banden av isolatorer, eller en halvledares smala energigap mellan banden. I grafen och TI, lednings- och valensband bildar koner som möts vid en punkt, Dirac-punkten.

Här tar deras likhet slut. Grafens perfekta koner ger bara en skissartad bild av den verkliga bandstrukturen:en avvikelse från helt raka linjer dyker upp när alla möjliga interaktioner av elektroner på väg över kol-atomgittret ingår - en process som kallas "renormalisering". Renormalisera de elektroniska tillstånden nära Dirac-punkten (med andra ord, att rita spetsarna på konerna) kräver att man förstår det kollektiva beteendet hos många elektroner och positivt laddade hål (frånvaro av elektroner, även känd som kvasipartiklar).

Renormalisering har observerats i grafen, men inte i TIs – förrän nu, och att göra det tog ett trick. Forskarna studerade olika TI-föreningar med hjälp av vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) vid strållinje 12.0, som har den unika förmågan att avbilda elektroniska bandstrukturer direkt. De tog spektra av två lovande topologiska isolatorer, vismuttellurid och vismutselenid.

TI:er har två uppsättningar bandstrukturer, återspeglar skillnaden mellan deras bulk- och ytegenskaper, och när ARPES avbildade provföreningarna "nakna, " bulkbanden skymde ytkonerna och Dirac-spetsarna. Men efter skiktning av filmer av ren vismut, som också är en TI, på föreningarna, de irriterande bulkbanden försvann.

I en skiktad blandning, vismut på vismuttellurid, ARPES avslöjade dramatiskt Dirac-punkten - faktiskt två av dem. Två uppsättningar av konvergerande linjer dök upp, den ena möts vid spetsen av vismuttellurids ytvalensband och den andra vid en högre energi. En ljus vertikal linje förenade spetsarna på de två konerna.

Om kottarna verkligen var åtskilda, de laddade partiklarna mellan dem skulle ha oändlig hastighet. Men efter analys, forskarna fastställde att ARPES-spektrumet var en hybrid, och att den avslöjade vertikala linjen härrörde från interaktioner med många kroppar som var tecknet på den oändlighetsblockerande renormalisering de sökte.

Det som gör interaktioner med många kroppar svåra att upptäcka i TI är att, till skillnad från grafen, deras ytbandsstrukturer är spinnpolariserade, eller "spiralformad". Genom att hybridisera två särskilt väl matchade TI:er och skeva deras Dirac-koner, den dolda renormaliseringen har hittats – i minst en TI-struktur.