Physiker entdecken einen neuartigen Quantenzustand in einem elementaren Festkörper

Physiker haben in einem kristallinen Material einen neuartigen Quanteneffekt namens „Hybridtopologie“ beobachtet. Diese Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung effizienter Materialien und Technologien für die Quantenwissenschaft und -technik der nächsten Generation.

Die Entdeckung, die Erkenntnis, der Fund, veröffentlicht In Natur, kam, als Wissenschaftler aus Princeton entdeckten, dass ein elementarer Festkristall aus Arsenatomen (As) eine noch nie zuvor beobachtete Form topologischen Quantenverhaltens beherbergt. Sie konnten diesen neuartigen Quantenzustand mithilfe eines Rastertunnelmikroskops (STM) und Photoemissionsspektroskopie erforschen und abbilden. Letztere ist eine Technik zur Bestimmung der relativen Energie von Elektronen in Molekülen und Atomen.

Dieser Zustand kombiniert oder „hybridisiert“ zwei Formen topologischen Quantenverhaltens – Randzustände und Oberflächenzustände, die zwei Arten von zweidimensionalen Quantenelektronensystemen sind. Diese wurden in früheren Experimenten beobachtet, jedoch nie gleichzeitig im selben Material, wo sie sich zu einem neuen Materiezustand vermischen.

„Dieser Befund war völlig unerwartet“, sagte M. Zahid Hasan, Eugene Higgins-Professor für Physik an der Princeton University, der die Forschung leitete. „Niemand hat es theoretisch vorhergesagt, bevor es beobachtet wurde.“

In den letzten Jahren hat die Untersuchung topologischer Materiezustände bei Physikern und Ingenieuren große Aufmerksamkeit erregt und steht derzeit im Mittelpunkt zahlreicher internationaler Interessen und Forschungen. Dieser Studienbereich kombiniert Quantenphysik mit Topologie – einem Zweig der theoretischen Mathematik, der geometrische Eigenschaften untersucht, die verformt, aber nicht intrinsisch verändert werden können.

Seit mehr als einem Jahrzehnt verwenden Wissenschaftler topologische Isolatoren auf Wismutbasis (Bi), um exotische Quanteneffekte in Festkörpern zu demonstrieren und zu erforschen, meist durch die Herstellung von Verbundmaterialien, wie beispielsweise das Mischen von Bi mit Selen (Se). Dieses Experiment ist jedoch das erste Mal, dass topologische Effekte in Kristallen aus dem Element As entdeckt wurden.

„Die Suche und Entdeckung neuartiger topologischer Eigenschaften der Materie hat sich zu einem der begehrtesten Schätze der modernen Physik entwickelt, sowohl aus grundlegender physikalischer Sicht als auch für die Suche nach potenziellen Anwendungen in der Quantenwissenschaft und -technik der nächsten Generation“, sagte er Hasan. „Die Entdeckung dieses neuen topologischen Zustands in einem elementaren Festkörper wurde durch mehrere innovative experimentelle Fortschritte und Instrumentierungen in unserem Labor in Princeton ermöglicht.“

Ein elementarer Festkörper dient als unschätzbare experimentelle Plattform zum Testen verschiedener Topologiekonzepte. Bisher war Wismut das einzige Element, das über ein reichhaltiges Topologiegeflecht verfügt, was zu zwei Jahrzehnten intensiver Forschungsaktivitäten geführt hat. Dies ist teilweise auf die Sauberkeit des Materials und die einfache Synthese zurückzuführen. Die aktuelle Entdeckung noch vielfältigerer topologischer Phänomene in Arsen wird jedoch möglicherweise den Weg für neue und nachhaltige Forschungsrichtungen ebnen.

„Zum ersten Mal zeigen wir, dass, ähnlich wie bei verschiedenen korrelierten Phänomenen, auch unterschiedliche topologische Ordnungen interagieren und zu neuen und faszinierenden Quantenphänomenen führen können“, sagte Hasan.

Ein topologisches Material ist die Hauptkomponente zur Erforschung der Geheimnisse der Quantentopologie. Dieses Gerät wirkt in seinem Inneren als Isolator, was bedeutet, dass sich die Elektronen im Inneren nicht frei bewegen können und daher keinen Strom leiten.

Allerdings können sich die Elektronen an den Rändern des Geräts frei bewegen, was bedeutet, dass sie leitend sind. Darüber hinaus wird der Elektronenfluss entlang der Kanten aufgrund der besonderen Eigenschaften der Topologie nicht durch Defekte oder Verformungen behindert. Diese Art von Gerät hat nicht nur das Potenzial, die Technologie zu verbessern, sondern durch die Untersuchung quantenelektronischer Eigenschaften auch ein besseres Verständnis der Materie selbst zu ermöglichen.

Hasan stellte fest, dass großes Interesse daran bestehe, topologische Materialien für praktische Anwendungen zu nutzen. Bevor dies realisiert werden kann, müssen jedoch zwei wichtige Fortschritte erzielt werden. Erstens müssen sich quantentopologische Effekte bei höheren Temperaturen manifestieren. Zweitens müssen einfache und elementare Materialsysteme (wie Silizium für die konventionelle Elektronik) gefunden werden, die topologische Phänomene beherbergen können.

„In unseren Labors unternehmen wir Anstrengungen in beide Richtungen – wir suchen nach einfacheren Materialsystemen mit einfacher Herstellung, bei denen wesentliche topologische Effekte gefunden werden können“, sagte Hasan. „Wir suchen auch danach, wie diese Effekte bei Raumtemperatur überleben können.“

Hintergrund des Experiments

Die Wurzeln der Entdeckung liegen in der Funktionsweise des Quanten-Hall-Effekts – einer Form des topologischen Effekts, der 1985 Gegenstand des Nobelpreises für Physik war. Seitdem wurden topologische Phasen untersucht und viele neue Klassen von Quantenmaterialien mit topologischen Eigenschaften entwickelt Elektronische Strukturen wurden gefunden. Vor allem Daniel Tsui, emeritierter Arthur Legrand Doty-Professor für Elektrotechnik in Princeton, gewann 1998 den Nobelpreis für Physik für die Entdeckung des fraktionierten Quanten-Hall-Effekts.

In ähnlicher Weise gewann F. Duncan Haldane, Eugene Higgins-Professor für Physik in Princeton, 2016 den Nobelpreis für Physik für theoretische Entdeckungen topologischer Phasenübergänge und einer Art zweidimensionalem (2D) topologischen Isolator. Nachfolgende theoretische Entwicklungen zeigten, dass topologische Isolatoren die Form von zwei Kopien des Haldane-Modells annehmen können, das auf der Spin-Bahn-Wechselwirkung des Elektrons basiert.

Hasan und sein Forschungsteam sind in die Fußstapfen dieser Forscher getreten, indem sie andere Aspekte topologischer Isolatoren untersucht und nach neuartigen Materiezuständen gesucht haben. Dies führte sie 2007 zur Entdeckung der ersten Beispiele dreidimensionaler (3D) topologischer Isolatoren. Seitdem sind Hasan und sein Team jahrzehntelang auf der Suche nach einem neuen topologischen Zustand in seiner einfachsten Form, der auch bei Raumtemperatur funktionieren kann.

„Eine geeignete Atomchemie und ein geeignetes Strukturdesign in Verbindung mit der Ab-initio-Theorie sind der entscheidende Schritt, um die spekulative Vorhersage des topologischen Isolators in einer Hochtemperaturumgebung realistisch zu machen“, sagte Hasan.

„Es gibt Hunderte von Quantenmaterialien, und wir brauchen sowohl Intuition, Erfahrung, materialspezifische Berechnungen als auch intensive experimentelle Anstrengungen, um schließlich das richtige Material für eine eingehende Erforschung zu finden. Und das führte uns auf eine jahrzehntelange Reise zur Erforschung vieler Bismute.“ -basierte Materialien, die zu vielen grundlegenden Entdeckungen führten.

Das Experiment

Materialien auf Wismutbasis sind zumindest prinzipiell in der Lage, bei hohen Temperaturen einen topologischen Zustand der Materie zu beherbergen. Diese erfordern jedoch eine komplexe Materialvorbereitung unter Ultrahochvakuumbedingungen, weshalb die Forscher beschlossen, mehrere andere Systeme zu untersuchen. Der Postdoktorand Md. Shafayat Hossain schlug einen Kristall aus Arsen vor, da er in einer Form gezüchtet werden kann, die sauberer ist als viele Wismutverbindungen.

Als Hossain und Yuxiao Jiang, ein Doktorand in der Hasan-Gruppe, das STM an der Arsenprobe anwendeten, wurden sie mit einer dramatischen Beobachtung begrüßt: Graues Arsen, eine Form von Arsen mit metallischem Aussehen, weist sowohl topologische Oberflächenzustände als auch Randzustände auf gleichzeitig.

„Wir waren überrascht. Graues Arsen sollte nur Oberflächenzustände haben. Aber als wir die atomaren Stufenkanten untersuchten, fanden wir auch schöne leitende Kantenmodi“, sagte Hossain.

„Eine isolierte Monoschicht-Stufenkante sollte keinen lückenlosen Kantenmodus aufweisen“, fügte Jiang, einer der Co-Erstautoren der Studie, hinzu.

Dies zeigen Berechnungen von Frank Schindler, einem Postdoktoranden und Theoretiker der kondensierten Materie am Imperial College London im Vereinigten Königreich, und Rajibul Islam, einem Postdoktoranden an der University of Alabama in Birmingham, Alabama. Beide sind Co-Erstautoren des Artikels.

„Sobald eine Kante oben auf der Massenprobe platziert wird, hybridisieren die Oberflächenzustände mit den Lückenzuständen an der Kante und bilden einen lückenlosen Zustand“, sagte Schindler.

„Dies ist das erste Mal, dass wir eine solche Hybridisierung sehen“, fügte er hinzu.

Physikalisch gesehen ist ein solcher lückenloser Zustand an der Stufenkante weder für starke topologische Isolatoren noch für topologische Isolatoren höherer Ordnung separat zu erwarten, sondern nur für Hybridmaterialien, in denen beide Arten der Quantentopologie vorhanden sind. Dieser lückenlose Zustand unterscheidet sich auch von Oberflächen- oder Gelenkzuständen in starken topologischen Isolatoren bzw. höheren Ordnungen. Dies bedeutete, dass die experimentelle Beobachtung des Princeton-Teams sofort auf einen noch nie zuvor beobachteten topologischen Zustand hinwies.

David Hsieh, Vorsitzender der Physikabteilung am Caltech und Forscher, der nicht an der Studie beteiligt war, wies auf die innovativen Schlussfolgerungen der Studie hin.

„Normalerweise gehen wir davon aus, dass die Volumenbandstruktur eines Materials in eine von mehreren unterschiedlichen topologischen Klassen fällt, die jeweils an einen bestimmten Grenzzustandstyp gebunden sind“, sagte Hsieh. „Diese Arbeit zeigt, dass bestimmte Materialien gleichzeitig in zwei Klassen fallen können. Am interessantesten ist, dass die Grenzzustände, die aus diesen beiden Topologien entstehen, interagieren und sich in einen neuen Quantenzustand rekonstruieren können, der mehr als nur eine Überlagerung seiner Teile ist.“

Die Forscher untermauerten die Rastertunnelmikroskopie-Messungen zusätzlich mit systematischer hochauflösender winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie.

„Die graue As-Probe ist sehr sauber und wir haben klare Anzeichen eines topologischen Oberflächenzustands gefunden“, sagte Zi-Jia Cheng, ein Doktorand in der Hasan-Gruppe und Mit-Erstautor der Arbeit, der einige der Photoemissionsmessungen durchführte .

Die Kombination mehrerer experimenteller Techniken ermöglichte es den Forschern, die einzigartige Korrespondenz zwischen Volumenoberfläche und Kante zu untersuchen, die mit dem hybriden topologischen Zustand verbunden ist, und die experimentellen Ergebnisse zu bestätigen.

Implikationen der Ergebnisse

Die Auswirkungen dieser Entdeckung sind zweifach. Die Beobachtung des kombinierten topologischen Kantenmodus und des Oberflächenzustands ebnet den Weg zur Entwicklung neuer topologischer Elektronentransportkanäle. Dies könnte die Entwicklung neuer Quanteninformatik- oder Quantencomputergeräte ermöglichen.

Die Princeton-Forscher zeigten, dass die topologischen Kantenmoden nur entlang spezifischer geometrischer Konfigurationen vorhanden sind, die mit den Symmetrien des Kristalls kompatibel sind, und zeigten damit einen Weg auf, verschiedene Formen zukünftiger Nanogeräte und spinbasierter Elektronik zu entwerfen.

Aus einer breiteren Perspektive gesehen profitiere die Gesellschaft davon, wenn neue Materialien und Eigenschaften entdeckt würden, sagte Hasan. Bei Quantenmaterialien hat die Identifizierung elementarer Festkörper als Materialplattformen, wie z. B. Antimon mit einer starken Topologie oder Wismut mit einer Topologie höherer Ordnung, zur Entwicklung neuartiger Materialien geführt, die dem Gebiet der topologischen Materialien enorme Vorteile gebracht haben.

„Wir gehen davon aus, dass Arsen mit seiner einzigartigen Topologie als neue Plattform auf ähnlichem Niveau für die Entwicklung neuartiger topologischer Materialien und Quantengeräte dienen kann, die derzeit über bestehende Plattformen nicht zugänglich sind“, sagte Hasan.

Die Princeton-Gruppe entwirft und baut seit über 15 Jahren neuartige Experimente zur Erforschung topologischer Isolatormaterialien. Zwischen 2005 und 2007 entdeckte das Team um Hasan beispielsweise mit neuartigen experimentellen Methoden die topologische Ordnung in einem dreidimensionalen Wismut-Antimon-Massenfestkörper, einer halbleitenden Legierung und verwandten topologischen Dirac-Materialien.

Dies führte zur Entdeckung topologischer magnetischer Materialien. Zwischen 2014 und 2015 entdeckten und entwickelten sie eine neue Klasse topologischer Materialien namens magnetische Weyl-Halbmetalle.

Die Forscher glauben, dass diese Erkenntnis die Tür zu einer ganzen Reihe zukünftiger Forschungsmöglichkeiten und Anwendungen in der Quantentechnologie, insbesondere in sogenannten „grünen“ Technologien, öffnen wird.

„Unsere Forschung ist ein Fortschritt beim Nachweis des Potenzials topologischer Materialien für die Quantenelektronik mit energiesparenden Anwendungen“, sagte Hasan.