2020-06-11 20:50:01
新的拓扑材料可能具有多种电特性

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这就是独特材料的故事-由单一化合物制成,它在不同的表面以不同的方式传导电子,而在中间完全不传导。这也是三个研究小组的故事-两个在魏茨曼科学研究所,一个在德国,以及它们之间形成的独特纽带。

该材料属于十年半以前发现的一组称为拓扑绝缘体的材料。这些材料在其表面上导电并且在其内部本体中绝缘。但是这两个属性是不可分割的:切割材料,新的表面将导电,大部分将保持绝缘。

大约五年前,Nurit Avraham博士开始是该研究所凝聚态物理系Haim Beidenkopf博士的新小组的一名科学家。大约在那个时候,她和贝登科普夫首次对魏茨曼研究所进行科学访问时遇到了严秉海教授。那时,Yan曾是材料科学家Claudia Felser教授小组的初级小组负责人,该科学家正在她位于德累斯顿马克斯普朗克固体化学物理研究所的实验室中开发新型拓扑材料。 Beidenkopf和他的小组专门研究根据单原子的尺度和单电子的路径对这些材料进行分类和测量,而Yan则转向理论-预测这些材料应如何表现并建立解释其异常行为的数学模型。

Avraham和Beidenkopf对揭示一种特殊的拓扑绝缘体的特性感兴趣,该拓扑绝缘体中的化学结构是分层组织的。这些层将如何影响电子在材料表面上的传导方式?从理论上讲,2-D拓扑绝缘体的堆叠层有望形成3-D拓扑绝缘体,其中某些表面导电,而另一些表面则绝缘。 Yan建议他们使用他预测的新材料,然后在Felser的实验室中进行开发。不久,Weizmann和Max Planck小组开始合作。

阿夫拉罕(Avraham)领导了该项目,从Felser的实验室获取了材料的样品,进行了测量,并与Yan一起研究了理论预测是否可以通过实验得到证实。随着合作的加深,Beindenkopf和Avraham再次邀请物理学院邀请Yan到该研究所,这次访问最终导致Yan离开德国,并将他的家人搬到Rehovot担任该研究所的凝聚态物理系的职位。严说:“这一决定是一个转折点,它将使我走上目前的职业道路。”

在未来的几年中,Beindenkopf,Avraham,Yan和Felser将合作开展多个研究项目,探索几类拓扑材料的特性。但是,了解这种特殊的材料(铋,碲和碘的化合物)将是一项长期的工作。首先,Yan分析了材料的能带结构,换句话说,电子被“允许”存在。当能带以一种称为能带反转的状态穿过主体时,它们会阻止电子在内部移动,但使它们能够在表面上移动。材料主体表面上出现的这种状态“投影”是使拓扑材料具有特殊性能的原因。

Avraham和Beidenkopf使用已切割的样品,将新鲜表面从分层结构中暴露出来。他们在实验室中使用扫描隧道显微镜(STM)来跟踪材料不同部分的电子密度。该理论预测,表面测量将揭示出一种材料,该材料的行为类似于薄弱的拓扑绝缘体,因此在边缘处为金属,在顶部和底部表面为绝缘。弱拓扑绝缘体是一类先前已经预测过但尚未通过实验证明的拓扑材料,因此该小组希望在边缘的表面上发现这种特征。研究人员确实确实发现,该材料在其裂缝的侧面起着弱的拓扑绝缘体的作用。但是,在他们的样品的顶部和底部,该小组发现了证据,表明存在强大的拓扑绝缘体,而不是先前预测的绝缘体。

这种材料不仅可以同时绝缘和导电,还可以两种不同的方式导电吗?随着研究人员继续进行实验,以不同的方法测试材料并确认其原始结果,他们继续对Yan的奇怪结果感到困惑。阿夫拉罕说,有一次他们甚至测量了一批新样品,这些样品是由德累斯顿工业大学的初级教授安娜·伊萨耶娃和亚历山大·泽格纳博士独立培养的,目的是确保结果是一般性的,而不是偶然的。一批特定的样品。

严说,他们最终突破的一部分来自另一个物理学小组发表的理论研究论文,该论文推测了这种双重材料可能如何发挥作用。拓扑材料有时根据其对称性(材料的原子结构的属性)进行分类。科学家们在表面上寻找由于表面上的缺陷或不规则而导致任何此类对称性破裂的位置,这些缺陷或不规则性会通过散射电子而影响该点的特性,并强调保护每种拓扑状态的对称性类型。

最后,在《自然材料》上发表的一篇文章中,理论和实验共同证明了该材料的确是两种不同类型的拓扑绝缘体。 left侧表面的裸露层会形成“台阶边缘”,将电子引导到某些路径中。虽然侧面受到时间反转和平移对称性的保护,但顶部和底部受到晶体镜对称性的保护,从而产生了电子可以移动的类金属状态。

虽然这种二合一的组合使按拓扑对材料进行分类(这是此类测量的主要目标之一)带来了挑战,但研究人员认为,其他新的拓扑材料可能具有这种双重属性。这就使工程材料具有同时具有多种所需电特性的可能性成为可能。

严说:“从技术上讲,这项工作具有挑战性,但故事本身却很简单。”

阿夫拉罕说:“这也是一段伟大友谊的故事,当你能进行如此紧密的科学合作时会发生什么。”

贝登科普夫补充说:“这一切都始于有关一种特殊材料的问题。”

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