Dirac yarı metallerinde yeni egzotik topolojik durumları keşfederek yoğun madde fiziğinde büyük ilerleme
Yoğun madde fiziğinin temel araştırması, modern elektronik yeteneklerinin muazzam ilerlemesini destekledi. Örneğin, transistörler, optik fiberler, ışık yayan diyotlar, manyetik depolama ortamları, plazma ekranlar, yarı iletkenler, süper iletkenler vb., Şok edici olan yoğunlaştırılmış madde fiziği üzerine temel araştırmalardan doğan teknolojilerin listesidir. Bu alanda çalışan bilim adamları, gelecekteki teknolojik ilerlemeye umut veren şaşırtıcı yeni fenomenleri keşfetmeye ve keşfetmeye devam ediyor. Bu alandaki önemli bir araştırma yönü, bir yüzeyin durumunu açıklamak için bir matematiksel çerçeve olan topolojiyi içerir, malzeme gerilme veya bozulma ile deforme olsa bile, yüzey durumu sabit kalır.
Topolojik yüzey durumlarının doğal kararlılığı, elektronik ve spintronikte çok çeşitli uygulamalara sahiptir. Şimdi, uluslararası bir bilim insanı ekibi, Dirac semimetal adı verilen büyük bir üç boyutlu yarı metalik kristal sınıfında garip bir yeni topolojik durum keşfetti. Araştırmacılar, "yüksek sıralı" topolojiler (yalnızca sınır sınırlarında görünen topolojiler) şeklindeki teorik modeller ile gerçek malzemelerdeki elektroniklerin fiziksel davranışı arasındaki boşluğu kapatmak için çok çeşitli matematiksel mekanizmalar geliştirdiler. Ekip, doktora sonrası araştırmacı Dr. Benjamin Wieder dahil Princeton Üniversitesi'nden bilim adamlarından oluşuyor.
Kimya Profesörü Leslie Schoop ve Fizik Profesörü Andrei Bernevig; Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi Fizik Profesörü Barry Bradlyn; Çin Bilimler Akademisi Pekin Fizik Enstitüsü'nde Fizik Profesörü Wang Zhijun; Stony Brook'daki New York Eyalet Üniversitesi'nde Fizik Profesörü Jennifer Cano (CANO ayrıca Simmons Vakfı'na bağlıdır ve araştırma sonuçları Nature Communications dergisinde yayınlanmıştır. Son on yılda, Dirac ve Weyl fermiyonları birçok katı malzemede tahmin edilmiş ve deneysel olarak onaylanmıştır. En ünlüsü, keşfedilen ilk topolojik Weil fermiyon yarı metali olan kristalin tantal arsenittir (TAAS).
Araştırmacılar, kristal tantal arsenitin "Fermi yayı" adı verilen iki boyutlu bir topolojik yüzey durumu sergilediğini gözlemlediler. Ancak şu ana kadar Dirac fermion yarı metallerinde gözlemlenen benzer fenomenler şaşırtıcıydı. Fermi yayı nedir? Yarı metal bağlamında, bu bir yüzey halidir ve iki boyutlu bir metalin yarısı gibi davranır; diğer yarısı farklı bir yüzeydedir. Bu saf iki boyutlu bir sistemde mümkün değildir ve yalnızca kristalin topolojik özelliklerinin bir fonksiyonu olarak gerçekleşebilir. Bu çalışmada araştırmacılar, Fermi yayının Dirac yarı metalindeki tek boyutlu menteşe ile sınırlı olduğunu buldular. Daha önceki bir çalışmada Dai, Bernevig ve meslektaşları deneysel olarak kanıtladılar:
Yüzeyin detaylarına bakılmaksızın Weil yarı metalinin 2-D yüzeyinde bir Fermi yayı olmalıdır Bu, ilk teorik olarak Vishwanath ve diğerleri tarafından tahmin edilen, kristal gövdenin derinliklerinde bulunan Weil fermiyonlarının topolojik sonucudur. . Weyl yarı metali bir soğan kadar farklıdır. Olağandışı olan, kristal tantal arsenit yüzeyinin sürekli olarak soyulabilmesidir, ancak ark her zaman oradadır. Araştırmacılar ayrıca Dirac yarı metallerinde eğimli yüzey durumlarını gözlemlediler. Bununla birlikte, çoğu malzemede bu yüzey durumu ile Dirac fermiyonları arasında benzer bir matematiksel ilişki kurma girişimleri başarılı olmamıştır:
Açıktır ki, Dirac yüzey durumu farklı ve ilgisiz bir mekanizmadan gelir ve Dirac yüzey durumunun topolojik olarak korunmadığı sonucuna varılır. Mevcut çalışmada araştırmacılar, Dirac fermiyonlarının bu sonuca aykırı olan topolojik olarak korunan bir yüzey durumu sergilediğini görünce şaşırdılar. Topolojik dört kutuplu yalıtıcıdan türetilen Dirac yarı metalik modeli inceledikten sonra (bu, Bernevig ve Illinois fizik profesörü Taylor Hughes tarafından keşfedilen yeni bir yüksek dereceli topolojik sistemdir). Bu yeni malzemenin bir boyutta güçlü bir iletken elektronik durum veya üç boyutlu Dirac noktasından iki boyut daha küçük olduğu keşfedildi.
Başlangıçta bu "menteşe" durumlarının ortaya çıktığı mekanizma hakkında kafaları karışan araştırmacılar, topolojik dört kutuplu yalıtkanların ve Dirac yarı metallerinin bağlı durumları için geniş, doğru ve çözülebilir bir model geliştirmek için çalıştılar. Araştırmacılar, Dirac yarı metalinde Fermi yayı oluşturma mekanizmasının Weyl yarı metalindekinden farklı olduğunu buldular. Yoğunlaştırılmış Dirac fermiyonlarının topolojik yüzey durumlarına sahip olup olmadığına dair onlarca yıllık problemi çözmenin yanı sıra, araştırmalar Dirac yarı metalik malzemelerin topolojik dört kutuplu özelliklere sahip ilk katı malzemelerden biri olduğunu da kanıtladı. Bunun tersine, Weyl yarı metal yüzey durumu, topolojik izolatör yüzeyine yakın bir akrabadır.
Araştırmalar, Dirac yarı metallerinin, üst düzey topolojik yalıtıcıların açısal durumlarının yakın akrabaları olan yüzey durumlarını barındırabildiğini kanıtladı. Araştırmacılar sorunu çözmek için üç yönlü bir yaklaşım benimsedi: Birincisi, iki boyutlu yüksek dereceli topolojik sistemler üzerine önceki çalışmalardan esinlenerek, bu özelliklerle beklenen sistemler için bazı modeller oluşturdular ve üç boyutlu kısıtlamaları uygulamak için grup teorisini kullandılar. . İkinci olarak, iki boyutlu sistemin daha soyut bir teorik analizi yapılır ve modelin dışında bile menteşeli bir durumda olmalarını gerektiren koşullar elde edilir. Üçüncüsü, Profesör Leslie Skoopun kimyasal sezgisini, simetri kısıtlamalarını ve Profesör Wang Zhijunun ab initio hesaplamalarını birleştirerek bilinen malzemeleri analiz eder:
Menteşe ark durumunun gerçek malzemede görünmesi gerektiğini belirtir. Toz çöktükten sonra araştırma ekibi, neredeyse tüm yoğunlaştırılmış Dirac yarı metallerinin aslında menteşeli bir durumda olması gerektiğini keşfetti. Çalışma, daha önce belirsiz olan Dirac fermiyonlarının topolojik özellikleri için fiziksel olarak gözlemlenebilir bir özellik sağladı. Açıkçası, insanlar doğru yeri bulursa, daha önce çalışılan birçok Dirac yarı metalinin aslında topolojik sınır durumları vardır. İlk prensip hesaplamaları yoluyla, araştırmacılar teorik olarak bilinen Dirac yarı metallerinin kenarlarının (prototip malzemesi kadmiyum arsenit (Cd3As2) dahil) menteşe durumlarını ihmal ettiğini kanıtladılar.
Araştırma, iki boyutlu yüksek dereceli topoloji ile üç boyutlu Dirac yarı metal arasındaki bağlantıyı ilk kez kanıtlayabilir.Araştırma bulguları, spintronik dahil yeni teknolojilerin geliştirilmesi için aydınlatıcı bir öneme sahiptir çünkü menteşe durumu kenar durumuna dönüştürülebilir. Yayılma yönü, tıpkı iki boyutlu bir topolojik yalıtkanın kenar durumu gibi, dönüşüne bağlıdır. Buna ek olarak, yüksek dereceli topolojik yarı metalik nanorodlar, geleneksel süperiletkenlere yakın olduklarında yüzeylerinde topolojik süperiletkenliği gerçekleştirebilirler ve birden fazla Majorana fermiyonunu gerçekleştirmek mümkündür.Bu fermiyonlar, hataya dayanıklı kuantum hesaplamasının temeli olarak kabul edilir.
Brocade | Araştırma / Gönderen: Illinois Üniversitesi, Urbana-Champaign
Referans Dergisi "Nature Communications"
DOI: 10.1038 / s41467-020-14443-5
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
Takip edin Bokeyuan Daha fazlasını görün Damei Universe Science
-
- Evrendeki devasa yıldızların% 14'ünün kara deliklere dönüştüğü bulundu! Görünüşe göre sayı çok büyük
