Tek katmanlı bir kristalde bulunan çift topolojik fazlar

Chestnut Hill, Massachusetts (2/4/2024) – Temel olarak tek katmanlı bir kristalde çift topolojik fazlar keşfedildi; Boston College'dan fizikçiler tarafından yönetilen uluslararası bir bilim insanı ekibi, kuantum maddedeki baz bükülmesinin yeni ve benzersiz özelliklerini ortaya çıkaran bir keşif. Yakın zamanda Nature dergisinin çevrimiçi baskısında yayınlandı.

Ekip, çift topolojik yalıtkanın keşfinin, elektronik etkileşimler yoluyla düz, topolojik mikro alanlar oluşturmanın yeni bir yolunu sunduğunu ve bunun da egzotik kuantum ve elektromanyetik fazları keşfetmek için umut verici bir platform sağladığını belirtiyor.

Raporun baş yazarı Boston College Fizik Yardımcı Doçent Cheung Ma, “Deneysel olarak yüksek kaliteli, atomik olarak ince TaIrTe4 örnekleri ürettik ve ilgili elektronik cihazları geliştirdik” dedi. “Özellikle ilginç olan, teorinin beklentilerinin ötesinde, yalnızca bir değil iki topolojik yalıtım durumunu keşfetmemizdir.”

Ma, sonuçların, ekibin çift topolojik yalıtkan veya çift kuantum spin Hall yalıtkanı olarak adlandırdığı yeni bir etkiyi ortaya çıkardığını söyledi.

Tantal, iridyum ve tellürden oluşan TaIrTe4 adı verilen kristal malzemenin olağanüstü ince, iki boyutlu katmanları, British Columbia, MIT, Harvard Üniversitesi, UCLA, Texas A&M ve Tennessee Üniversitesi'nden bilim adamlarından oluşan ekibin odak noktasıydı. ve Singapur. Nanyang Teknoloji Üniversitesi, Çin Bilimler Akademisi ve Japonya Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü.

Her katman 1 nanometreden daha ince olup, insan saçının bir telinden 100.000 kat daha incedir. Bu katmanlar veya 'pullar', malzeme biliminde yaygın olarak kullanılan Nobel Ödülü sahibi bir teknik olan şeffaf yapışkan bant içeren basit bir yöntem kullanılarak daha büyük bir kristalden dikkatlice soyulur.

Ma, “Araştırmamız bu malzemelerin elektriği nasıl ilettiğini anlamayı amaçlıyor” dedi. “Bu malzemelerin küçük boyutu göz önüne alındığında, nano ölçekli elektrik kontakları oluşturmak için fotolitografi ve elektron ışın litografisi de dahil olmak üzere gelişmiş nano üretim tekniklerini kullandık.”

Ma, projenin birincil amacının, en ince TaIrTe4 katmanının, iç kısmın bir yalıtkan olduğu ve elektriğin sınırları boyunca aktığı yeni bir malzeme olan kuantum spin Hall yalıtkanı olarak da bilinen 2 boyutlu topolojik yalıtkan olarak davrandığına dair teorik tahmini test etmek olduğunu söyledi. Herhangi bir enerji kaybı olmadan. Bu benzersiz kombinasyon, bu malzemeleri gelecek nesil enerji tasarruflu elektronik cihazlar geliştirmeye çalışan araştırmacıların ilgisini çekmektedir.

Ma, ekibin, geçit voltajları olarak adlandırılan belirli parametreleri manipüle ederek TaIrTe4'ün iki farklı topolojik durum arasında geçiş yaptığını keşfettiğini söyledi. Her iki durumda da malzeme kendi içinde sıfır elektrik iletkenliği gösterirken sınırları iletken kalır. Sistematik ampirik ve teorik araştırmalar yoluyla, bu iki topolojik durumun farklı kökenlerden kaynaklandığını belirledik.

Teorik beklentileri aşan sonuçlar bilim adamlarını şaşırttı.

Ma, “Normalde bir malzemeye elektron eklemek, daha fazla sayıda yük veya elektrik taşıyıcısı nedeniyle iletkenliğini artırır” dedi. “İlk başta sistemimiz beklendiği gibi davrandı ve elektronlar eklendikçe daha iletken hale geldi. Ancak belirli bir noktadan sonra daha fazla elektron eklemek, iç yalıtımı beklenmedik bir şekilde geri kaydırdı; elektrik iletkenliği yalnızca sınırlarda ve enerji kaybı olmadan, bu da tam olarak “İç kısımda hiç elektron bulunmadığında başlangıç ​​noktasında olduğu gibi yine topolojik bir izolasyon aşamasıdır. “İkinci bir topolojik izolasyon aşamasına geçiş tamamen beklenmedik bir durumdur.”

Ma, keşifle ilgili gelecekteki çalışmaların, beklenmedik davranışı daha iyi anlamak için nano ölçekli görüntüleme sensörleri gibi diğer özel tekniklerde uzman olan gruplarla işbirliği yapmayı içerdiğini söyledi.

Ma, “Zaten etkileyici olan topolojik iletkenliğimizi geliştirmek için malzemelerimizin kalitesini de artırmaya odaklanacağız” dedi. “Ayrıca, daha ilginç fiziksel davranışların önünü açmak için bu yeni malzemeye dayalı heteroyapılar inşa etmeyi planlıyoruz.”

Ma, Boston College'da fizik profesörleri Kenneth Burch ve Ziqiang Wang ile işbirliği yaptı; Üniversite temiz odasındaki personel; BC sonrası belgeler Jian Tang, Zhuming Huang ve Zhe Sun; yüksek lisans öğrencileri Thomas Siyuan Ding, Michael Jewitz, Muhammad Shihabeddin, Vsevolod Belosevic ve Yiping Wang; ve ziyaret eden üniversite araştırmacısı Zihan Wang.