Visualisierung der Randmodi der Ladungsdichtewelle in einem topologischen Material

Ladungsdichtewellen sind Quantenphänomene, die in einigen Materialien auftreten und eine statische Modulation der Leitungselektronen und die periodische Verzerrung des Gitters beinhalten. Diese Wellen wurden in zahlreichen kondensierten Materiematerialien beobachtet, darunter Hochtemperatur-Supraleiter und Quanten-Hall-Systeme.

Während viele Studien diese Zustände untersucht haben, sind experimentelle Beobachtungen der Randzustände, die aus Ladungsdichtewellen entstehen, bisher noch rar. In einem aktuellen Artikel veröffentlicht In NaturphysikForscher der Princeton University und anderer Institute weltweit haben die Volumen- und Randmodi der Ladungsdichtewelle im topologischen Material Ta2Se8I visualisiert.

„Unsere Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entdeckung und Untersuchung neuartiger topologischer Eigenschaften von Quantenmaterie und nutzt dazu verschiedene hochmoderne experimentelle Techniken, die die elektronische Struktur der Materialien untersuchen“, sagte Maksim Litskevich, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „In den letzten Jahren hat die Physikgemeinschaft große Begeisterung für die Erforschung der faszinierenden und vielfältigen Eigenschaften von Kagome-Materialien erlebt, die Geometrie, Topologie und elektronische Wechselwirkungen auf komplexe Weise miteinander verknüpfen.“

Litskevich und seine Kollegen waren Pioniere in der Erforschung von Ladungsdichtewellen. Vor einigen Jahren entdeckte die Koexistenz einer Ladungsdichtewelleein Vielteilchen-Quantenzustand, der durch eine räumliche Modulation der elektronischen Ladung und eine isolierende Energielücke gekennzeichnet ist, sowie ein lückenloser Randmodus in FeGe, einem der Kagome-Materialien.

Obwohl die Forscher diese beiden koexistierenden Zustände in FeGe beobachteten, bedeutet dies nicht unbedingt, dass ein Zustand den anderen verursacht hat. Tatsächlich könnte der Randzustand auch trivial (nicht-topologisch) sein oder alternativ aus einer Topologie stammen, die nichts mit der Ladungsdichtewelle zu tun hat.

„Inspiriert durch die Untersuchung der Kagome-Verbindungen suchte unser Forschungsteam weiter nach einer Verbindung zwischen Ladungsdichtewelle und Topologie und richtete seine Aufmerksamkeit auf eine quasi-eindimensionale Verbindung, Ta2Se8I, die topologische Eigenschaften aufweist und einen Übergang in den Ladungsdichtewellenzustand (unter -10 Grad Celsius) durchläuft“, sagte Litskevich.

„Aufregenderweise haben unsere Rastertunnelmikroskop-Messungen einen In-Gap-Randmodus (Kantenzustand) innerhalb eines Ladungsdichtewellenzustands bei niedrigen Temperaturen gezeigt, gefolgt von seinem Verschwinden im Hochtemperatur-Weyl-Halbmetallzustand.“

Litskevich und seine Kollegen stellten fest, dass die räumliche Periodizität und Phase der von ihnen beobachteten Randmodusschwingungen eng mit den Eigenschaften der Ladungsdichtewelle in Ta2Se8I zusammenhingen. Diese gegenseitige Abhängigkeit legt nahe, dass eine inhärente Beziehung zwischen dem Randmodus und der Ladungsdichtewelle besteht, eine Hypothese, die sie später durch theoretische Modellierung bestätigten.

„Damit haben wir zum ersten Mal die Lücke zwischen topologischen und Ladungsdichte-Wellensystemen überbrückt und damit einen Fortschritt bei der Entschlüsselung der Komplexität der Quantenwelt erzielt“, sagte Litskevich.

Zur Durchführung ihrer Experimente verwendeten die Forscher eine experimentelle Technik namens Rastertunnelmikroskopie (STM). STM, das auf dünnen, langen, nadelartigen Sonden basiert, um Materialien auf atomarer Ebene abzubilden, ermöglichte ihnen die genaue Untersuchung und Prüfung des quasi-1D-Materials Ta2Se8I.

„Wir haben unsere Messungen mit einem Omicron LT STM (LT = Niedertemperatur) in einem Temperaturbereich von 160 K bis 300 K (-113 bis 27 Grad Celsius) unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt“, sagte Litskevich. „STM nutzt das Phänomen des Quantentunnelns zwischen einer scharfen Metallspitze und der leitenden Oberfläche der Probe. Durch das Quantentunneln können bewegliche Elektronen zwischen Spitze und Probe austreten und so einen winzigen elektrischen Strom erzeugen, der von der empfindlichen Elektronik erkannt wird.“

Der von den STM-Sonden erfasste Tunnelstrom wird anschließend verwendet, um die Oberfläche von Materialien mit subatomarer Auflösung abzubilden. Durch die Analyse der Stromstärke als Funktion der angelegten Spannung (eine Technik, die als Tunnelspektroskopie bekannt ist) konnten die Forscher dann auch die Elektronenpopulation im Material nach Energieniveaus abbilden.

„In Bezug auf unsere untersuchte Verbindung Ta2Se8I konnten wir mithilfe der STM-Bildgebung den Ladungsdichtewellenzustand identifizieren, indem wir den Unterschied im elektrischen Strom hervorhoben, der von den niedrig und hoch geladenen Bereichen erzeugt wird“, sagte Litskevich. „Darüber hinaus entdeckten wir einen In-Gap-Randmodus im Ladungsdichtewellenzustand von Ta2Se8I, als wir unseren Tunnelstrom von der Spitze zur atomar scharfen Kante der Probe leiteten.“

Litskevich und seine Kollegen beobachteten die erste Visualisierung eines einzigartigen topologischen Randmodus, der aus der Ladungsdichtewelle von Ta2Se8I entsteht. Die Beobachtung dieses Modus verbessert das Verständnis von Ladungsdichtewellen und ebnet den Weg für weitere Studien auf diesem Gebiet.

„Der von uns beobachtete topologische Randmodus, der mit der Ladungsdichtewelle in Zusammenhang steht, weist eine einzigartige Topologie auf, die sich von den traditionellen Quanten-Spin-Hall-Randmodi unterscheidet“, sagte Md Shafayat Hossain, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Anstelle des üblichen spektralen Flusses der zugehörigen Impulsgröße beobachten wir einen ‚spektralen Pseudofluss‘ der Impulsphase. Insbesondere bleibt die Wellenvektorphase der Ladungsdichtewelle lückenlos und verbindet die Phasen des lückenhaften Volumens, was einen höchst exotischen Zustand darstellt.“

Die Forscher stellten fest, dass der durch die Ladungsdichtewelle in Ta2Se8I und seinen In-Gap-Randmodus verursachte Isolierspalt bemerkenswert robust ist und bei Temperaturen bis zu 260 K bestehen bleibt. Diese Temperaturrobustheit könnte für verschiedene Anwendungen von Vorteil sein und die Entwicklung neuer Technologien erleichtern, die diesen Modus nutzen.

„Die Auswirkungen unserer Erkenntnisse sind vielschichtig“, sagte Hossain. „Der Grundzustand der ladungsgeordneten Phase in Ta2Se8I (unserer Materialplattform) wird als Axionenisolator vorhergesagt, eine sehr begehrte Phase der Materie. Wir stellen jedoch fest, dass Ta2Se8I den topologischen Oberflächenzustand fehlt, den man von einem nichtmagnetischen Axionenisolator erwartet.“

Während die Beobachtungen von Litskevich, Hossain und ihren Kollegen die topologische Natur der ladungsgeordneten Phase hervorheben, stellen sie einige frühere theoretische Interpretationen in Frage. Insbesondere legen sie nahe, dass Ta2Se8I im Gegensatz zu früheren Hypothesen kein Axion-Isolator sein könnte.

„Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit die breitere wissenschaftliche Gemeinschaft dazu inspirieren wird, nach weiteren CDW-Phasen (gebrochene Symmetrie) in topologischen Materialien zu suchen und so das Verständnis des Zusammenspiels dieser neuen Phänomene zu verbessern“, sagte Hossain. „In der Gruppe von Prof. Zahid Hasan in Princeton widmen wir uns gezielt der Entdeckung neuer Quantenphasen der Materie.“

Die von diesem Forschungsteam entdeckte neue Phase eröffnet neue interessante Forschungsansätze. Aufbauend auf ihrer jüngsten Entdeckung planen Litskevich, Hossain und ihre Kollegen nun, neue Quantenphänomene zu erforschen, die aus dem Zusammenspiel zwischen Ladungsdichtewellen und der Topologie eines Materials entstehen. Sie werden beispielsweise die bekannten Parallelen zwischen Ladungsdichtewellen und Supraleitung genauer untersuchen.

„Genauso wie die Verflechtung von Topologie und Supraleitung zu topologischer Supraleitung führt – einer vielversprechenden Plattform für topologische Quantenberechnungen – könnten topologische Ladungsdichtewellen auch für zukünftige Quantencomputer und Nanotechnologien wichtig sein“, fügte Hossain hinzu. „Wir beabsichtigen, diese Möglichkeiten weiter zu erforschen. Unser unmittelbares Ziel ist es, die Ordnungsparameter zu bestimmen, die mit diesem exotischen Quantenzustand verbunden sind.“

In ihren nächsten Studien wollen Hossain und seine Kollegen auch andere Quantenmaterialien untersuchen, die Ladungsdichtewellen aufweisen, um nach ähnlichen Phänomenen zu suchen. Schließlich werden sie ihre Suche nach neuen Phänomenen in Quantenmaterialien fortsetzen und hoffen, dass dies zu neuen interessanten Entdeckungen führen wird.

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