Neue Forschungen zu topologischen Phasen der Materie könnten Fortschritte bei innovativen Quantengeräten vorantreiben. Wie in einem neuen Artikel beschrieben veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikationnutzte ein Forschungsteam, dem Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory angehörten, einen neuartigen spannungstechnischen Ansatz, um das Material Hafniumpentatellurid (HfTe5) in eine starke topologische Isolatorphase umzuwandeln, wodurch sein elektrischer Massenwiderstand erhöht und gleichzeitig an der Oberfläche gesenkt wurde, ein Schlüssel zur Erschließung seiner Quanten Potenzial.
„Ich freue mich, dass unser Team zeigen konnte, dass die schwer fassbaren und begehrten topologischen Oberflächenzustände zu einem vorherrschenden elektrischen Leitungsweg werden können“, sagte Michael Pettes, Wissenschaftler am Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). im Labor.
„Dies ist vielversprechend für die Entwicklung von Arten von optoelektronischen Quantengeräten, Detektoren für dunkle Materie und topologisch geschützten Geräten wie Quantencomputern. Und die von uns demonstrierte Methodik ist für Experimente mit anderen Quantenmaterialien kompatibel.“
Strain-Engineering-Ansatz liefert Ergebnisse
An der University of California, Irvine, züchteten Mitglieder des Forschungsteams die HfTe5-Kristalle und wandten einen Dehnungstechnik-Ansatz an, bei dem mechanische Kraft auf das Material bei kryogenen Temperaturen von 1,5 Kelvin oder etwa minus 457 Grad Fahrenheit ausgeübt wurde.
Im CINT-Labor von Pettes in Los Alamos wurden die Proben einer optischen Spektroskopie unterzogen, um die Probe im Submikrometerbereich abzubilden. Anschließend führten CINT-Forscher an der University of Tennessee eine winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie durch, um die Auswirkungen der Dehnungstechnik aufzuklären.
Das Forschungsteam erkannte, dass die Verformungstechnik das Verhalten von HfTe5 veränderte und es von einem schwachen topologischen Isolator zu einem starken topologischen Isolator machte. Das heißt, der elektrische Gesamtwiderstand des Materials, also der Widerstand gegen den Durchgang von elektrischem Strom, stieg um mehr als drei Größenordnungen.
Die topologischen Oberflächenzustände des Materials dominierten auch den elektronischen Transport. Aufgrund dieser Eigenschaften könnte sich HfTe5 gut für Quantengeräte eignen. Die vielversprechenden Ergebnisse verheißen auch Gutes für die Ausweitung des Strain-Engineering-Ansatzes auf die Untersuchung topologischer Phasenübergänge in Van-der-Waals-Materialien und Heterostrukturen, gitterähnlichen Strukturen, die durch eine starke Bindung innerhalb der Ebene und eine schwache Bindung außerhalb der Ebene zwischen ihnen gekennzeichnet sind Atome oder Moleküle, wie die Seiten in einem Buch.
Bei der Untersuchung mit einem starken Magnetfeld kann die neu entdeckte topologische Eigenschaft dazu beitragen, Phänomene im Zusammenhang mit exotischer Physik aufzudecken, wie etwa Quantenanomalien, den ungeklärten Bruch der Symmetrie in der Physik. Neue Experimente, die am Los Alamos National High Magnetic Field Laboratory – Pulsed Field Facility durchgeführt werden, setzen HfTe5 einer Belastung durch ultrahohe Magnetfelder von bis zu 65 Tesla aus.
Mehr Informationen:
Jinyu Liu et al., Kontrollierbarer spannungsgesteuerter topologischer Phasenübergang und dominanter Oberflächenzustandstransport in HfTe5, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-023-44547-7