Materialien leiten normalerweise Elektrizität oder isolieren dagegen – daher waren experimentelle und theoretische Physiker von einer Verbindung namens Samariumhexaborid (SmB6) fasziniert, die anscheinend beides kann. Zahlreiche Studien im Laufe von 50 Jahren haben gezeigt, dass SmB6 sowohl als Isolator als auch als elektrisch leitendes Metall wirkt.
Jetzt sagen Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), dass es möglich ist, die genaue Position von Elektronen entlang der Oberfläche von SmB6 mit Einzelatom-Präzision abzubilden, was einen Durchbruch beim Verständnis der Eigenschaften und Gründe der Verbindung ermöglicht es kann sowohl isolieren als auch leiten. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Wissenschaftbauen auf SEAS-Forschungen aus dem Jahr 2019 auf, in denen festgestellt wurde, dass SmB6 ein topologischer Isolator ist – was bedeutet, dass es Elektrizität entlang seiner Oberflächen leitet, aber nicht in seinem Inneren.
Trotz der Entdeckung im Jahr 2019 über die Oberflächenmetallizität von SmB6 blieben viele Fragen zu seiner Gesamtmetallizität offen und warum verschiedene Messungen keine konsistenten Ergebnisse lieferten.
„Jeder mit einem Voltmeter sollte Ihnen sagen können, ob ein Material leitfähig oder isolierend ist“, sagt Harris Pirie, Erstautor der Arbeit und ehemaliger Ph.D. Student im Labor von Clowes Professor of Science Jenny Hoffman bei SEAS. Aber das war bei SmB6 nie der Fall. „Das hat uns fasziniert und SmB6 noch weiter ins Rampenlicht der Physik-Community gerückt.
Um das besondere Verhalten der Bewegung elektrischer Ladungen in SmB6 zu verstehen, mussten Pirie und Mitarbeiter der University of Oxford, der University of Illinois at Chicago (UIC) und anderer Institutionen einen neuen bildgebenden Ansatz entwickeln, um die Verteilung von Elektronen auf SmB6 zu erkennen.
Im Gespräch mit Dirk Morr vom UIC stieß das Team auf die Idee, ein Rastertunnelmikroskop zu adaptieren, das mit einer unvorstellbar kleinen Nadelspitze atomare Strukturen auf der Oberfläche eines Materials vermisst. Anstatt die atomare Struktur zu messen, verwendeten sie sie, um eine Magnetresonanz in SmB6 bei einer kalten Temperatur zu detektieren, eine Signatur der magnetischen Wechselwirkungen, die das Möchtegern-Metall in einen Tieftemperaturisolator verwandeln. „Diese magnetische Wechselwirkung erzeugt eine klare Resonanz, die wir messen können, und wir sagten voraus, dass, wenn wir ihre Anregungsenergie an verschiedenen Oberflächenpunkten messen könnten, sie die elektronische Ladung an dieser Position offenbaren würde“, sagt Pirie.
Das Team scannte die Nadel über die Oberfläche von SmB6, um die elektronischen Ladungen über alle Oberflächenpunkte zu kartieren, und erstellte eine Anzeige, die „wie eine topografische Karte aussieht, die Sie von einer Bergkette haben würden“, sagt Pirie. Außer dass diese Berggipfel und Täler die Größe von Atomen haben.
Mit dieser Methode hat das Team das erste Bild von Elektronen aufgenommen, die sich um atomare Defekte auf der Oberfläche von SmB6 ansammeln – sogar Oberflächen, die durch Querschneiden einer SmB6-Probe in Fragmente entstanden sind. „Von dem Moment an, als wir diese Messung machten, war klar, dass wir die gesuchten Elektronen gefunden hatten“, sagt Pirie. „Wir haben diese erstaunlichen Wellenmuster gesehen, die die Elektronen um die Defekte gebildet haben, was auf ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis hindeutet. Es war ein sehr cooler Moment.“
„Die Arbeit gibt uns ein neues Verständnis für die Bedeutung von Einzelatomdefekten in topologischen Materialien“, sagt Hoffman, der leitende Autor der Veröffentlichung.
Pirie versucht nun, die Methode des Rastertunnelmikroskops zu modifizieren, um neue Quantengeräte zu bauen. „Die von uns identifizierten Atomdefekte könnten beim Bau von Quantenschaltkreisen nützlich sein. Die Nadel des Rastertunnelmikroskops kann dem Probenmaterial so lächerlich nahe kommen, dass sie es nicht mehr passiv abbildet – sie kann die Probe berühren und verändern“, sagt er sagt. „Ich bin daran interessiert zu sehen, ob wir Atome auf SmB6 bewegen und alle Elektronen in bestimmte, kontrollierte Kanäle oder Pfützen schieben können. Die Hoffnung ist, dass durch die strategische Konstruktion von atomaren Defekten auf SmB6 Elektronen präzise eingefangen werden könnten, um Qubits zu bilden – die Grundeinheiten, die für Quantencomputing notwendig sind.“
Das könnte helfen, ein großes Hindernis für einen funktionsfähigen Quantencomputer zu lösen: Um stabil zu funktionieren, muss der Quantenzustand der Qubits eines Quantencomputers vollständig daran gehindert werden, sich mit Elektronen in der Umgebung zu verschränken.
Die Bildgebungsmethode könnte Wissenschaftlern ein leistungsstarkes hochauflösendes Werkzeug an die Hand geben, um zu sehen, was Elektronen auf verschiedenen Materialien und Verbindungen tun, sagt Pirie. „Dieses Tool kann untersuchen, was die elektrische Ladung um nur ein Atom herum macht – und uns so ermöglichen, die Welt in einem kleineren Maßstab zu sehen. Es gibt so viele grundlegende Fragen, die uns helfen könnten, die Welt um uns herum zu beantworten.“
Mehr Informationen:
Harris Pirie et al, Visualisierung des Ursprungs des metallischen Verhaltens auf atomarer Ebene in Kondo-Isolatoren, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.abq5375