RW Space

Физики только что обнаружили на поверхности кристалла мышьяка то, чего никто не ожидал.

Занимаясь исследованием квантовой топологии – волнового поведения частиц в сочетании с математикой геометрии – команда обнаружила странный гибрид двух квантовых состояний, каждое из которых описывает разные способы течения.

«Это открытие было совершенно неожиданным», — говорит физик М. Захид Хасан из Принстонского университета. «Никто не предсказал этого в теории до того, как он был обнаружен».

Топология становится все более важной в понимании поведения материалов, которые можно описать только волнообразными свойствами, известными как квантовая материя. Что касается геометрии структур, которые не изменяются эффективно при изгибе или деформации (но могут измениться, если их сломать или проткнуть), топология потенциально может влиять на квантовую активность материалов различными способами.

Многие из этих исследований связаны с соединениями на основе висмута, поскольку висмут является эффективным топологическим изолятором – материалом, внешний слой которого действует как проводник активности, а внутренний – как изолятор. Это означает, что электроны внутри неподвижны, а электроны на поверхности и краях могут свободно перемещаться.

Мышьяк, широко используемый в полупроводниковых материалах, также может вести себя как топологический изолятор. Физики, в том числе Хасан и его команда, искали новые квантовые состояния в топологических изоляторах, особенно в тех, которые могут работать при комнатной температуре.

Материалы на основе висмута дали много идей, но они требуют высоких температур и сложны в синтезе и приготовлении. Мышьяк, напротив, можно выращивать в более чистой форме, чем висмут, и его проще приготовить. Поэтому исследователи вырастили кристаллы серого мышьяка, имеющего металлический вид, и применили магнитные поля.

Затем они исследовали образец с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), которая создает изображения в субатомных масштабах, и фотоэмиссии. спектроскопия, которая измеряла энергетические состояния электронов.

Они обнаружили поверхностные состояния – состояния электронов, которые текут по «бесщелевым» поверхностям некоторых видов топологического изолятора – что было прекрасным и нормальным. Но никто не ожидал того, что еще они обнаружили – краевые состояния, которые существуют на границах совершенно другого типа топологического изолятора и никогда раньше не наблюдались бок о бок с поверхностными состояниями.

«Мы были удивлен», — говорит физик доктор Шафаят Хоссейн из Принстонского университета. «Предполагалось, что серый мышьяк имеет только поверхностные состояния. Но когда мы исследовали края атомных ступенек, мы также обнаружили красивые проводящие краевые моды».

Они могли только прийти к выводу, что то, что они наблюдали, было гибридным состоянием, которое никто никогда раньше не видел.

«Обычно мы считаем, что объемная зонная структура материала относится к одному из нескольких отдельных топологических классов, каждый из которых привязан к определенному типу граничного состояния», — говорит физик Дэвид Се из Калифорнийского технологического института, который не участвовал в исследовании.

«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 реконструироваться в новое квантовое состояние, которое представляет собой нечто большее, чем просто суперпозицию его частей».

Это открытие может открыть новый вид квантовых материалов, что, в свою очередь, может продвинуть вперед исследования в области квантовой физики, а также таких технологий, как квантовые вычисления. .

«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», — говорит Хасан.

«Ожидает новый захватывающий рубеж в области материаловедения и новой физики!»

Исследование опубликовано в журнале Nature.