Vật liệu tôpô liên kết lên đến mức tối đa

Trong các vật liệu tôpô, các điện tử có thể hiển thị hành vi khác về cơ bản so với vật chất ‘thông thường’ và cường độ của nhiều hiện tượng ‘kỳ lạ’ như vậy tỷ lệ thuận với một thực thể được gọi là số Chern. Các thí nghiệm mới lần đầu tiên thiết lập số lượng tối đa dự đoán theo lý thuyết có thể đạt được – và được kiểm soát – trong một vật liệu thực.

Khi Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 2016 cho David Thouless, Duncan Haldane và Michael Kosterlitz, họ đã ca ngợi bộ ba vì đã “mở cửa trên một thế giới vô danh nơi mà vật chất có thể giả định các quốc gia kỳ lạ”. Khác xa với sự kỳ quặc, những khám phá về sự chuyển tiếp pha cấu trúc và giai đoạn tôpô của vật chất mà ba nhà lý thuyết đã đóng góp rất quan trọng, đã phát triển thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu tích cực nhất trong vật lý vật chất ngưng tụ ngày nay. Ví dụ, các vật liệu tôpô hứa hẹn sẽ dẫn đến các loại linh kiện điện tử và chất siêu dẫn mới, và chúng có mối liên hệ sâu sắc giữa các lĩnh vực vật lý và toán học. Trong khi các hiện tượng mới được phát hiện thường xuyên, có những khía cạnh cơ bản chưa được giải quyết. Một trong số đó là cách ‘mạnh mẽ’ hiện tượng tôpô có thể là trong một vật liệu thực sự. Giải quyết câu hỏi đó, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do nhà nghiên cứu sau tiến sĩ PSI Niels Schröter dẫn đầu cung cấp một chuẩn mực quan trọng. Viết trong Khoa học (Science) , họ báo cáo các thí nghiệm trong đó họ quan sát thấy rằng trong palađi palađi bán nguyệt (PdGa), một trong những phân loại phổ biến nhất của hiện tượng tôpô, số Chern, có thể đạt giá trị tối đa được phép trong bất kỳ tinh thể kim loại nào. Rằng điều này là có thể trong một vật liệu thực sự chưa từng được thể hiện trước đây. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã thiết lập các cách để kiểm soát dấu hiệu của số Chern, điều này có thể mang lại cơ hội mới để khám phá và khai thác các hiện tượng tôpô.

Phát triển đến mức tối đa

Trong các công trình lý thuyết, người ta đã dự đoán rằng trong các bán kết tôpô, số lượng không thể vượt quá bốn. Khi các hệ thống ứng cử viên hiển thị các hiện tượng với số lượng tối đa như vậy, các tinh thể chirus đã được đề xuất. Đây là những vật liệu có cấu trúc mạng tinh thể có độ thuận tay được xác định rõ, theo nghĩa là chúng không thể chuyển thành hình ảnh phản chiếu của chúng bằng bất kỳ sự kết hợp giữa xoay và dịch. Một số cấu trúc ứng cử viên đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, một quan sát thử nghiệm kết luận về số lượng cộng hoặc trừ bốn của Chern, tuy nhiên, vẫn khó nắm bắt. Những nỗ lực trước đây đã bị cản trở bởi hai yếu tố nói riêng. Đầu tiên, một điều kiện tiên quyết để hiện thực hóa số lượng cực đại là sự hiện diện của khớp nối quỹ đạo quay và ít nhất là trong một số vật liệu được nghiên cứu cho đến nay, khớp nối đó tương đối thấp, gây khó khăn cho việc giải quyết các mối quan tâm. Thứ hai, chuẩn bị bề mặt sạch và phẳng của các tinh thể có liên quan là rất khó khăn, và do đó, các chữ ký quang phổ có xu hướng bị rửa trôi.

Schröter et al. đã khắc phục cả hai hạn chế này bằng cách làm việc với các tinh thể PdGa. Vật liệu này hiển thị khớp nối quỹ đạo quay mạnh và các phương pháp được thiết lập tốt tồn tại để tạo ra các bề mặt vô nhiễm. Ngoài ra, tại chùm tia quang phổ cộng hưởng nâng cao (ADRESS) của Nguồn sáng Thụy Sĩ tại PSI, họ có khả năng duy nhất để xử lý các thí nghiệm ARPES có độ phân giải cao và do đó để giải quyết các mẫu quang phổ dự đoán. Kết hợp với các phép đo tiếp theo tại Nguồn ánh sáng kim cương (Anh) và với các tính toán ab initio chuyên dụng, những dữ liệu này đã tiết lộ chữ ký cứng và nhanh trong cấu trúc điện tử của PdGa, không còn nghi ngờ gì nữa về số lượng tối đa của Chern đã được nhận ra.

Một bàn tay trên số Chern

Nhóm nghiên cứu đã tiến thêm một bước, vượt ra ngoài sự quan sát của một con số cực đại. Họ đã chỉ ra rằng bản chất chirus của các tinh thể PdGa cũng có khả năng kiểm soát dấu hiệu của số đó. Để chứng minh sự kiểm soát như vậy, họ đã trồng các mẫu bằng tay trái (xem hình). Khi họ nhìn vào cấu trúc điện tử của hai chất đối lập, họ thấy rằng độ chụm của các tinh thể được phản ánh trong độ chụm của hàm sóng điện tử. Được kết hợp với nhau, điều này có nghĩa là trong bán kết đối xứng, sự thuận tay, có thể được xác định trong quá trình tăng trưởng tinh thể, có thể được sử dụng để kiểm soát các hiện tượng tôpô xuất hiện từ hành vi của các electron trong vật liệu. Loại điều khiển này mở ra một kho thí nghiệm mới. Ví dụ, hiệu ứng mới có thể được dự kiến ​​sẽ phát sinh tại giao diện giữa các đối số khác nhau, một hiệu ứng có số hiệu +4 và một hiệu ứng khác với -4. Và có triển vọng thực sự cho các ứng dụng, quá. Bán kết tôpô chirus có thể lưu trữ các hiện tượng hấp dẫn như quang hóa lượng tử. Thú vị thay, PdGa được biết đến với tính chất xúc tác, mời câu hỏi về vai trò của các hiện tượng tôpô trong các quá trình như vậy.

Cuối cùng, những phát hiện thu được về PdGa xuất hiện từ các thuộc tính của dải điện tử được chia sẻ bởi nhiều hợp chất đối kháng khác – có nghĩa là góc của “thế giới không xác định nơi vật chất có thể giả định các trạng thái lạ” mà Schröter và các đồng nghiệp đã mạo hiểm có khả năng có nhiều hơn để cung cấp.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Viện Paul Scherrer . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Niels BM Schröter, Samuel Stolz, Kaustuv Manna, Fernando de Juan, Maia G. Vergniory, Jonas A. Krieger, Ding Pei, Thorsten Schmitt, Pavel Dudin, Timur K. Kim, Cephise Cacho, Barry Bradlyn, Horst Borrmann, Roland Widmer, Vladimir N. Strocov, Claudia Felser. Quan sát và kiểm soát số lượng tối đa của Chern trong một nửa mô hình tôpô học đối xứng . Khoa học , 2020; 369 (6500): 179 DOI: 10.1126 / khoa học.aaz3480