Physiker zeigen, wie man topologische Isolatoren höherer Ordnung erkennt

So wie man ein Buch nicht nach seinem Einband beurteilen kann, kann man ein Material nicht immer nach seiner Oberfläche beurteilen. Aber für eine schwer fassbare vermutete Materialklasse haben Physiker nun gezeigt, dass die Oberfläche, die zuvor als „strukturlos“ galt, eine unverkennbare Signatur trägt, die zur ersten endgültigen Beobachtung führen könnte.

Topologische Isolatoren höherer Ordnung (HOTIs) haben wegen ihrer Fähigkeit, Elektrizität entlang eindimensionaler Linien auf ihren Oberflächen zu leiten, Aufmerksamkeit erregt, aber diese Eigenschaft lässt sich experimentell nur schwer von anderen Effekten unterscheiden. Indem sie stattdessen das Innere dieser Materialien aus einer anderen Perspektive untersuchten, hat ein Team von Physikern eine Oberflächensignatur identifiziert, die nur für HOTIs gilt und die bestimmen kann, wie Licht von ihren Oberflächen reflektiert wird.

Als Team Berichte im Tagebuch Naturkommunikation, Diese Eigenschaft könnte genutzt werden, um die Existenz solcher topologischer Zustände in realen Materialien experimentell zu bestätigen.

„Die Masse- oder Inneneigenschaften von HOTIs und anderen topologischen Isolatoren wurden lange Zeit außer Acht gelassen, aber es stellt sich heraus, dass auch dort viele interessante Dinge vor sich gehen“, sagte Barry Bradlyn, Physikprofessor an der University of Illinois Urbana-Champaign und ein Projekt-Co-Leiter. „Als wir die Oberflächen durch eine genauere Linse betrachteten, fielen uns sofort auf, dass sie alles andere als trivial oder merkwürdig waren.“

Topologische Isolatoren sind seit langem für ihre Fähigkeit bekannt, elektrische Ströme auf ihrer Oberfläche zu leiten und gleichzeitig über ein isolierendes Inneres zu verfügen. HOTIs würden die elektrische Leitung jedoch auf eine eindimensionale Kante oder ein „Scharnier“ und nicht auf die gesamte zweidimensionale Oberfläche beschränken.

„Charles Kane, der topologische Isolatoren entdeckte, führte eine gute Analogie ein“, sagte Benjamin Wieder, Fakultätsmitglied am Institut de Physique Théorique der Université Paris-Saclay und Co-Leiter des Projekts. „Wir können uns standardmäßige topologische Isolatoren als Hershey-Küsse vorstellen. Eine leitende Metallfolie, die um einen Isolator gewickelt ist, der keinen Strom leitet, in diesem Fall die Schokolade, ist eine ziemlich gute Möglichkeit, sie zu verstehen. Bei HOTIs ist es jedoch so Jemand nahm die Folie und zerknüllte sie zu einem dünnen Ring, der die Schokolade umgab.

Während in topologischen Standardisolatoren Oberflächenleitzustände beobachtet wurden, hat sich die Auflösung des Scharniers in HOTIs als außerordentlich schwierig erwiesen. Bradlyn erklärte, dass diese Eigenschaft nur bei Materialproben existieren kann, die einen ungewöhnlich hohen Grad an Symmetrie aufweisen, was bedeutet, dass ihre Kristallstrukturen unrealistisch perfekt sein müssen.

Stattdessen richteten Bradlyn und seine Mitarbeiter ihre Aufmerksamkeit vom Scharnierzustand auf das Innere, wo die Elektronen dazu neigen, sich von einzelnen Atomen zu „delokalisieren“ und sich im gesamten Material auszubreiten. Im Gegensatz zu früheren Studien, die alle Elektronen gleich behandelten, berücksichtigten die Forscher Unterschiede im Spin – einer Eigenschaft von Elektronen, die es ihnen ermöglicht, sich wie Miniaturmagnete zu verhalten.

„Als wir die inneren Elektronen in ihre zwei möglichen Spinzustände, nach oben und nach unten, aufteilten, sahen wir, dass jeder Zustand eine einzigartige Oberflächensignatur hinterlässt“, sagte Kuan-Sen Lin, ein Physikstudent an der U. of I. und der Studie Hauptautor. „Auch wenn die Oberfläche eines HOTI uninteressant erscheint, zeigt sich, wenn man sich anschaut, was jeder Spin einzeln auf der Oberfläche macht, ein unverkennbares neues Verhalten, von dem wir hoffen, dass es bald im Experiment gemessen werden kann.“

Da sich Elektronen mit unterschiedlichen Spins wie Magnete verhalten, reagieren sie unterschiedlich, wenn elektrische Spannung an das Material angelegt wird, wodurch sich die beiden Spinzustände auf gegenüberliegenden Seiten ansammeln. Diese Anhäufung kann mithilfe des magnetooptischen Kerr-Effekts nachgewiesen werden, bei dem sich die Polarisation oder Ausrichtung des Lichts ändert, wenn es von der Oberfläche eines Magneten reflektiert wird. Im Fall von HOTIs berechneten die Forscher die Polarisationsänderung jedes Spinzustands und stellten fest, dass sie genau die Hälfte der Änderung ausmacht, die sich bei einem gewöhnlichen Isolator ergeben würde.

„In der Kiss-Analogie könnten wir erwarten, dass die Schokolade aufgrund der Zerknitterung der Folie in direktem Kontakt mit der Luft steht“, sagte Gregory Fiete, Physikprofessor an der Northeastern University und korrespondierender Autor der Studie. „Anhand des spinabhängigen Oberflächenverhaltens, das wir gefunden haben, können wir sagen, dass es tatsächlich eine transparente Schicht gibt, die die Schokolade vom Rest des Supermarkts getrennt hält.“

Aufbauend auf Ab-initio-Berechnungen mit dem speziellen theoretischen Toolkit, das die Forscher für diese Studie entwickelt hatten, identifizierten sie das Metall Wismutbromid als einen sehr starken Kandidaten für die Beobachtung dieses Effekts. Sie arbeiten derzeit mit Fahad Mahmood, Professor für Physik an der University of I., und Daniel Shoemaker, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der University of I., zusammen, um die in dieser Studie vorgeschlagenen Experimente zu entwerfen und durchzuführen.

„Die Eigenschaften von HOTIs, die wir hier identifiziert haben, wären für Quantencomputer und spintronische Geräte sehr nützlich, aber wir müssen sie zuerst im Experiment sehen“, sagte Bradlyn. Wieder fügte hinzu: „Wir hoffen, dass unsere Arbeit zeigt, dass das Innere und die Oberfläche topologischer Materialien immer noch viele mysteriöse und vorteilhafte Merkmale aufweisen, wenn man weiß, wie man danach sucht.“

Die ersten Grundlagenrechnungen zu Wismutbromid wurden von Zhaopeng Guo und Zhijun Wang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt. Zusätzliche Rechenunterstützung wurde von Jeremey Blackburn von der Binghamton University bereitgestellt. Giandomenico Palumbo vom Dublin Institute for Advanced Studies und Yoonseok Hwang von der U. of I. trugen ebenfalls zu dieser Arbeit bei.