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研究人员揭示了铋晶体中隐藏的拓扑绝缘体状态

2019-08-08 17:50:08来源:

寻找更好的计算机和其他电子设备材料的重点是一组被称为“拓扑绝缘体”的材料,这些材料具有在其表面边缘上导电的特殊性质,如高速公路上的交通车道。这可以提高能量效率并减少热量输出。

2009年第一个实验证明的拓扑绝缘体是铋 - 锑,但直到最近,研究人员才将纯铋鉴定为一种新型的拓扑绝缘体。欧洲和美国的一组研究人员在2018年的自然物理学报告中提供了实验证据和理论分析。

现在,麻省理工学院的研究人员以及波士顿,新加坡和台湾的同事进行了理论分析,揭示了以前未知的铋的几种拓扑性质。该团队由资深作者麻省理工学院副教授梁富,麻省理工学院教授Nuh Gedik,东北大学杰出教授Arun Bansil和研究员林新林在台湾学术界领导。

“这是一种隐藏的拓扑结构,人们不知道它可能是那种方式,”麻省理工学院博士后Su-Yang Xu说,他是最近在PNAS上发表的论文的合着者。

拓扑学是物理学家通过分析电子的量子波函数来研究电子特性的数学工具。“拓扑”特性使材料具有高度的稳定性,并使其电子结构非常坚固,以防止晶体中的微小缺陷,例如杂质,或其形状的微小变形,例如拉伸或挤压。

“让我们说我的水晶有瑕疵。那些瑕疵,只要它们不那么戏剧性,那么我的电气特性就不会改变,”徐解释道。“如果存在这样的拓扑结构,并且如果电子属性与拓扑结构唯一相关,而不是形状,那么它将非常强大。”

“在这种特殊的化合物中,除非你以某种方式施加压力或某种东西来扭曲晶体结构,否则这种传导将始终受到保护,”徐说。

由于携带一定旋转的电子只能在这些拓扑材料中沿一个方向移动,因此它们不能反弹或散射,这是使基于硅和铜的电子器件升温的行为。

虽然材料科学家寻求为先进的计算机识别具有快速电传导和低热输出的材料,但物理学家希望将拓扑和其他性质的类型分类为这些性能更好的材料的基础。

在新论文“铋的一个新方面的拓扑”中,作者计算出铋应该显示出一种被称为“狄拉克表面态”的状态,这被认为是这些拓扑绝缘子的标志。他们发现晶体通过半圆旋转(180度)不变。这被称为双重旋转对称。这种双重旋转对称性保护狄拉克表面状态。如果晶体的这种双重旋转对称性被破坏,则这些表面状态失去其拓扑保护。

铋还具有沿着晶体的某些边缘的拓扑状态,其中两个垂直和水平面相遇,称为“铰链”状态。为了在这种材料中完全实现所需的拓扑效应,铰链状态和其他表面状态必须与另一种被称为“带反转”的电子现象耦合,理论家的计算表明这种现象也存在于铋中。他们预测这些拓扑表面状态可以通过使用称为光电发射光谱的实验技术来确认。

如果流经铜的电子就像夏天在湖中游过的鱼群,那么流过拓扑表面的电子更像是冬天穿越湖面冰冻表面的溜冰者。然而,对于铋,在铰链状态下,它们的运动更类似于在冰块的角落边缘上滑行。

研究人员还发现,在铰链状态下,随着电子向前移动,它们的动量和另一个属性(称为自旋 - 定义电子的顺时针或逆时针旋转)被“锁定”。“他们的旋转方向与他们的运动方向有关,”徐解释说。

这些额外的拓扑状态可能有助于解释为什么铋让电子穿过它比大多数其他材料更远,以及为什么它比铜等材料更少的电子有效地导电。

“如果我们真的想让这些东西变得有用并显着改善我们的晶体管的性能,我们需要找到好的拓扑材料 - 它们易于制造,它们没有毒性,而且它们在地球上相对丰富,“徐建议。例如,铋是以治疗胃灼热的补救措施形式对人类消费安全的元素,满足所有这些要求。

“这项工作是我们对对称保护拓扑材料理解的十五年进步的结果,”加州理工学院物理学教授David Hsieh说,他没有参与这项研究。

Hsieh补充说:“我认为这些理论结果是稳健的,而这仅仅是使用角度分辨光电子能谱等技术对它们进行实验成像的问题,而Gedik教授是其专家。”

东北大学教授Gregory Fiete指出,“基于铋的化合物长期以来在拓扑材料中起着主导作用,尽管铋本身最初被认为是拓扑上的微不足道的。”

“现在,这支团队已经发现纯铋是多重拓扑,一对表面Dirac锥体不受任何特定动量值的影响,”Fiete说,他也没有参与这项研究。“通过外部参数控制移动Dirac锥体的可能性可能为利用此功能的应用程序开辟道路。”

加州理工学院的Hsieh指出,新发现增加了拓扑保护金属态在材料中稳定的方式。“如果铋可以从半金属转变为绝缘体,那么可以实现电传输中这些表面状态的隔离,这可能对低功率电子应用很有用,”Hsieh解释说。