螺旋晶体是异国情调发现的关键

实现所谓的拓扑材料 - 具有异国情调,抗缺陷性能,并有望应用于电子,光学,量子计算和其他领域 - 开辟了材料发现的新领域。

迄今为止,一些热门研究的拓扑材料被称为拓扑绝缘体。他们的表面预计会以非常小的电阻导电,有点类似于超导体,但不需要令人难以置信的寒冷温度,而它们的内部 - 所谓的“大块”材料 - 不导电。

现在,一队在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)系的研究人员已经发现了最强的拓扑导体然而,在具有螺旋楼梯,结构细晶体样品的形式。该团队对水晶的研究,称为拓扑手性晶体,在3月20日的“自然”杂志上有报道。

作为最新研究焦点的水晶样本中的DNA样螺旋结构或螺旋结构表现出手性或“手性” - 因为一个人可以是左撇子或右撇子,左手是右手的镜像。某些情况下的手性特性可以翻转,就像左撇子成为惯用右手的人一样。

“在这项新工作中,我们基本上证明了这是一种新的量子物质状态,它也表现出近乎理想的拓扑表面特性,这是由于晶体结构的手性而产生的,”M. Zahid Hasan,一种拓扑材料说。作为伯克利实验室材料科学部门的访问教师科学家,领导材料理论和实验的先驱。哈桑也是普林斯顿大学的Eugene Higgins物理学教授。

定义拓扑导电性的特性 - 与材料表面的电导率相关 - 被测量为比先前确定的拓扑金属中观察到的大约100倍。

这种被称为表面费米弧的特性在伯克利实验室的高级光源(ALS)的X射线实验中使用称为光电发射光谱的技术揭示。ALS是一种同步加速器,可产生强光 - 从红外到高能X射线 - 可进行数十次同步实验。

拓扑是一种成熟的数学概念,即使物体以其他方式拉伸或变形,也与物体的几何属性的保存有关。它在3D电子材料中的一些实验应用 - 例如发现材料电子结构中的拓扑行为 - 仅在十多年前才实现,伯克利实验室早期和持续的贡献。

“经过12年多的拓扑物理和材料研究,我确实认为这只是冰山一角,”哈桑补充道。“根据我们的测量结果,这是任何人发现的最坚固,受拓扑保护的导体金属 - 它将我们带到了一个新的前沿。”

拓扑保护意味着即使材料不完美,某些材料的属性也是可靠的。该质量还支持这些类型材料的实际应用和可制造性的未来可能性。

参与理论和实验工作的普林斯顿研究员Ilya Belopolski指出,所研究的晶体(包括钴 - 硅和铑 - 硅晶体)的一个特别有趣的特性是它们可以产生一个电流当你照亮它们时固定的力量。

“我们之前的理论表明 - 基于我们现在观察到的材料的电子特性 - 电流将固定在特定值,”他说。“无论样品有多大,或者它是否脏,都无关紧要。这是一个普遍的价值。这太棒了。对于应用来说,性能将是相同的。”

在以前在ALS的实验中,Hasan的研究小组揭示了一种称为Weyl费米子的无质量准粒子的存在,这种粒子在理论上已经存在了大约85年。

Weyl费米子在半金属的合成晶体中被观察到,称为砷化钽,具有与最新研究中使用的晶体相似的电子特性,但缺乏其手性特征。半金属是具有一些金属和一些非金属性质的材料。

“我们早期关于Weyl半金属的研究为研究异国拓扑导体铺平了道路,”哈桑说。2017年11月的一项研究侧重于围绕这些特殊材料的理论,Hasan的团队预测,铑 - 硅中的电子和许多相关材料的表现非常不寻常。

该团队预测,材料中的准粒子 - 由电子的集体运动描述 - 像无质量电子一样出现,应该表现得像减速的3D粒子光,具有明确的手性或手性特征,不像拓扑绝缘体或石墨烯。

此外,他们在2018年10月1日发表在“自然材料”杂志上的计算结果表明,晶体中的电子在它们的运动中表现得就像它们是磁单极子一样。磁单极子是具有单个磁极的假设粒子 - 就像没有南极的地球一样可以独立于北极移动。

Hasan指出,所有这些不同寻常的拓扑行为都指向晶体样品的手性特性,这些晶体样品产生螺旋或“螺旋”电子结构,如实验中所观察到的。

所研究的样品含有高达几毫米的晶体,由几个国际资料提前准备。这些晶体的特点是普林斯顿拓扑量子物质和高级光谱实验室的Hasan小组,使用低温扫描隧道显微镜扫描原子级样品,然后将样品运送到伯克利实验室。

在ALS研究之前,样品在伯克利实验室的分子铸造厂(一家纳米级科学研究机构)进行了专门的抛光处理。普林斯顿大学的研究人员丹尼尔·桑切斯和泰勒·科克伦说,这些研究的样本通常是“裂开的”或破裂的,因此它们是原子级平坦的。

但在这种情况下,晶体结合非常强,因为晶体具有立方体形状。因此,团队成员与Molecular Foundry的工作人员合作,在晶体样品上喷射高能氩原子,对其进行清洁和压平,然后通过加热过程对样品进行重结晶和抛光。

研究人员在ALS(Beamline 10.0.1和Beamline 4.0.3)上使用两种不同的X射线光束线来揭示晶体样品的不寻常的电子和自旋特性。

因为样品中的电子行为似乎模仿了晶体结构中的手性,Hasan说还有许多其他途径需要探索,例如测试超导性是否可以通过其他材料转移到拓扑导体上。

“这可能会导致一种新型超导体,”他说,“或探索新的量子效应。是否有可能有一个手性拓扑超导体?”

此外,虽然在最新研究中观察到的铑 - 硅和钴 - 硅晶体中的拓扑性质被认为是理想的,但还有许多其他材料已被确定,可用于评估其在实际应用中改善性能的潜力,哈桑说。

“事实证明,同样的物理学也可能在未来的其他化合物中实现更适合设备,”他说。

“当你预测异国情调并且它也出现在实验室实验中时,这是一种巨大的满足感,”Hasan补充道,并指出他的团队之前在预测材料的拓扑性能方面取得了成功。“通过明确的理论预测,我们将理论和实验相结合,推进了知识前沿。”

先进的光源和分子铸造厂是DOE科学用户设施办公室。