Физики наблюдали новый квантовый эффект, названный «гибридной топологией», в кристаллическом материале. Это открытие открывает новый спектр возможностей для разработки эффективных материалов и технологий для квантовой науки и техники нового поколения.
Открытие, опубликованное в природа, произошло, когда ученые из Принстона обнаружили, что элементарный твердый кристалл, состоящий из атомов мышьяка (As), обладает никогда ранее не наблюдавшейся формой топологического квантового поведения. Им удалось исследовать и отобразить это новое квантовое состояние с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и фотоэмиссионной спектроскопии (последний метод используется для определения относительной энергии электронов в молекулах и атомах).
Это состояние объединяет или «гибридизирует» две формы топологического квантового поведения — краевые состояния и поверхностные состояния, которые представляют собой два типа квантовых двумерных электронных систем. Они наблюдались в предыдущих экспериментах, но никогда одновременно в одном и том же материале, где они смешивались, образуя новое состояние материи.
«Это открытие было совершенно неожиданным», — сказал М. Захид Хасан, профессор физики Юджина Хиггинса в Принстонском университете, который руководил исследованием. «Никто не предсказал это в теории до того, как это наблюдалось».
В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло значительное внимание физиков и инженеров и в настоящее время находится в центре большого международного интереса и исследований. Эта область исследования сочетает в себе квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, изучающим геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути.
На протяжении более десяти лет ученые использовали топологические изоляторы на основе висмута (Bi) для демонстрации и исследования экзотических квантовых эффектов в сыпучих твердых веществах, в основном путем производства сложных материалов, таких как, например, смешивание Bi с селеном (Se). Однако этот эксперимент — первый случай, когда топологические эффекты были обнаружены в кристаллах элемента As.
«Поиск и открытие новых топологических свойств материи стали одним из самых востребованных сокровищ в современной физике, как с точки зрения фундаментальной физики, так и для поиска потенциальных приложений в квантовой науке и технике следующего поколения», — сказал Хасан. «Открытие этого нового топологического состояния, созданного в элементарном твердом теле, стало возможным благодаря множеству инновационных экспериментальных достижений и приборов в нашей лаборатории в Принстоне».
Элементарное твердое тело служит бесценной экспериментальной платформой для проверки различных концепций топологии. До сих пор висмут был единственным элементом, имеющим богатую топологию, что привело к двум десятилетиям интенсивной исследовательской деятельности. Частично это объясняется чистотой материала и простотой синтеза. Однако нынешнее открытие еще более богатых топологических явлений в мышьяке потенциально проложит путь к новым и устойчивым направлениям исследований.
«Впервые мы демонстрируем, что, подобно различным коррелированным явлениям, отдельные топологические порядки также могут взаимодействовать и порождать новые и интригующие квантовые явления», — сказал Хасан.
Топологический материал — это основной компонент, используемый для исследования тайн квантовой топологии. Это устройство действует как изолятор внутри себя, а это означает, что электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество.
Однако электроны на краях устройства могут свободно перемещаться, а это означает, что они являются проводящими. Более того, благодаря особым свойствам топологии, электронам, текущим по краям, не препятствуют никакие дефекты или деформации. Этот тип устройств имеет потенциал не только для улучшения technology но также и для лучшего понимания самой материи путем исследования квантовых электронных свойств.
Хасан отметил, что существует большой интерес к использованию топологических материалов для практических приложений. Но прежде чем это можно будет реализовать, необходимо сделать два важных достижения. Во-первых, квантово-топологические эффекты должны проявляться при более высоких температурах. Во-вторых, необходимо найти простые и элементарные материальные системы (например, кремний для традиционной электроники), которые могут поддерживать топологические явления.
«В наших лабораториях мы предпринимаем усилия в обоих направлениях — мы ищем более простые системы материалов с легкостью изготовления, в которых можно обнаружить существенные топологические эффекты», — сказал Хасан. «Мы также ищем, как можно заставить эти эффекты выжить при комнатной температуре».
Предыстория эксперимента
Корни открытия лежат в работе квантового эффекта Холла — формы топологического эффекта, которая стала предметом Нобелевской премии по физике в 1985 году. С тех пор были изучены топологические фазы и появилось множество новых классов квантовых материалов с топологическими свойствами. были обнаружены электронные структуры. В частности, Дэниел Цуй, почетный профессор электротехники Артура Леграна Доти в Принстоне, получил Нобелевскую премию по физике 1998 года за открытие дробного квантового эффекта Холла.
Точно так же Ф. Дункан Холдейн, профессор физики Юджина Хиггинса в Принстоне, получил Нобелевскую премию по физике 2016 года за теоретические открытия топологических фазовых переходов и типа двумерного (2D) топологического изолятора. Последующие теоретические разработки показали, что топологические изоляторы могут принимать форму двух копий модели Холдейна, основанной на спин-орбитальном взаимодействии электрона.
Хасан и его исследовательская группа пошли по стопам этих исследователей, исследуя другие аспекты топологических изоляторов и ища новые состояния материи. Это привело их в 2007 году к открытию первых примеров трехмерных (3D) топологических изоляторов. С тех пор Хасан и его команда в течение десятилетия искали новое топологическое состояние в его простейшей форме, которое также может работать при комнатной температуре.
«Подходящая атомная химия и конструкция структуры в сочетании с теорией первых принципов являются решающим шагом, чтобы сделать спекулятивное предсказание топологического изолятора реалистичным в условиях высоких температур», — сказал Хасан.
«Существуют сотни квантовых материалов, и нам нужны как интуиция, опыт, расчеты для конкретных материалов, так и интенсивные экспериментальные усилия, чтобы в конечном итоге найти правильный материал для углубленного исследования. И это привело нас к десятилетнему путешествию по исследованию многих материалов на основе висмута, что привело ко многим фундаментальным открытиям».
Эксперимент
Материалы на основе висмута способны, по крайней мере в принципе, поддерживать топологическое состояние материи при высоких температурах. Однако они требуют сложной подготовки материалов в условиях сверхвысокого вакуума, поэтому исследователи решили изучить несколько других систем. Постдокторант Шафаят Хоссейн предложил кристалл из мышьяка, потому что его можно выращивать в более чистой форме, чем многие соединения висмута.
Когда Хоссейн и Юсяо Цзян, аспирант из группы Хасана, проверили СТМ образец мышьяка, их встретило поразительное наблюдение: серый мышьяк, форма мышьяка с металлическим внешним видом, содержит как топологические поверхностные состояния, так и краевые состояния. одновременно.
«Мы были удивлены. Предполагалось, что серый мышьяк имеет только поверхностные состояния. Но когда мы исследовали края атомных ступенек, мы также обнаружили красивые проводящие краевые моды», — сказал Хоссейн.
«Изолированная ступенчатая кромка монослоя не должна иметь режим без зазоров», — добавил Цзян, соавтор исследования.
Именно это видно в расчетах Фрэнка Шиндлера, постдокторанта и теоретика конденсированного состояния Имперского колледжа Лондона в Соединенном Королевстве, и Раджибула Ислама, постдокторанта Университета Алабамы в Бирмингеме, штат Алабама. Оба являются соавторами статьи.
«Как только край помещается поверх объемного образца, поверхностные состояния гибридизуются с состояниями с зазорами на краю и образуют состояние без щелей», — сказал Шиндлер.
«Мы впервые наблюдаем такую гибридизацию», — добавил он.
Физически такое бесщелевое состояние на краю ступени не ожидается ни для сильных топологических изоляторов, ни для топологических изоляторов более высокого порядка по отдельности, а только для гибридных материалов, где присутствуют оба вида квантовой топологии. Это бесщелевое состояние также отличается от поверхностных или шарнирных состояний в сильных топологических изоляторах и топологических изоляторах более высокого порядка соответственно. Это означало, что экспериментальное наблюдение, проведенное командой Принстона, сразу же указало на никогда ранее не наблюдавшийся тип топологического состояния.
Дэвид Шей, заведующий физическим отделом Калифорнийского технологического института и исследователь, не принимавший участия в исследовании, указал на новаторские выводы исследования.
«Обычно мы считаем, что объемная зонная структура материала относится к одному из нескольких различных топологических классов, каждый из которых привязан к определенному типу граничного состояния», — сказал Се. «Эта работа показывает, что некоторые материалы могут одновременно относиться к двум классам. Самое интересное, что граничные состояния, возникающие из этих двух топологий, могут взаимодействовать и перестраиваться в новое квантовое состояние, которое представляет собой нечто большее, чем просто суперпозицию его частей».
Исследователи дополнительно обосновали измерения сканирующей туннельной микроскопии с помощью систематической фотоэмиссионной спектроскопии с высоким разрешением и угловым разрешением.
«Серый образец As очень чистый, и мы обнаружили четкие признаки топологического состояния поверхности», — сказал Цзы-Цзя Ченг, аспирант из группы Хасана и соавтор статьи, выполнивший некоторые фотоэмиссионные измерения. .
Сочетание нескольких экспериментальных методов позволило исследователям исследовать уникальное соответствие объем-поверхность-край, связанное с гибридным топологическим состоянием, и подтвердить экспериментальные результаты.
Последствия выводов
Влияние этого открытия двоякое. Наблюдение комбинированной топологической краевой моды и состояния поверхности открывает путь к разработке новых топологических каналов транспорта электронов. Это может позволить разработать новую квантовую информатику или квантовые вычислительные устройства.
Исследователи из Принстона продемонстрировали, что топологические краевые моды присутствуют только в определенных геометрических конфигурациях, совместимых с симметрией кристалла, что открывает путь к разработке различных форм будущих наноустройств и спиновой электроники.
В более широкой перспективе общество выигрывает, когда открываются новые материалы и свойства, сказал Хасан. В квантовых материалах идентификация элементарных твердых тел как материальных платформ, таких как сурьма с сильной топологией или висмут с топологией более высокого порядка, привела к разработке новых материалов, которые принесли огромную пользу области топологических материалов.
«Мы предполагаем, что мышьяк с его уникальной топологией может служить новой платформой аналогичного уровня для разработки новых топологических материалов и квантовых устройств, которые в настоящее время недоступны через существующие платформы», — сказал Хасан.
Группа из Принстона уже более 15 лет разрабатывает и проводит новые эксперименты по исследованию топологических изоляционных материалов. Например, в период с 2005 по 2007 год группа под руководством Хасана обнаружила топологический порядок в трехмерном объемном твердом веществе висмут-сурьма, полупроводниковом сплаве и связанных с ним топологических материалах Дирака, используя новые экспериментальные методы.
Это привело к открытию топологических магнитных материалов. В период с 2014 по 2015 год они открыли и разработали новый класс топологических материалов, названных магнитными полуметаллами Вейля.
Исследователи полагают, что это открытие откроет двери для целого ряда будущих исследовательских возможностей и приложений в области квантовых технологий, особенно в так называемых «зеленых» технологиях.
«Наше исследование — это шаг вперед в демонстрации потенциала топологических материалов для квантовой электроники с энергосберегающими приложениями», — сказал Хасан.