По словам доцента физики Бостонского колледжа Видья, исследователи не только подтвердили несколько теоретических предсказаний о топологических кристаллических изоляторах (TCI), но и сделали значительный экспериментальный шаг вперед, который позволил выявить еще больше деталей о кристаллической структуре и электронном поведении этих недавно идентифицированных материалов. Мадхаван, один из ведущих авторов отчета.Полученные данные могут проложить путь к разработке электронных свойств поверхностей TCI в направлении новых функциональных возможностей в наномасштабе.«Здесь много богатой физики, которая ждет своего исследования», — сказал Мадхаван. «Мы открыли дверь к лучшему пониманию топологических кристаллических изоляторов и потенциала этих материалов».
Подтверждено за последние несколько лет, что топологические изоляторы обладают внутренней частью, которая ведет себя как изоляторы, блокируя поток электронов. Однако внешне они содержат проводящие состояния, в которых электроны могут свободно перемещаться по их поверхности. Несколько лет назад физики впервые заявили о существовании TCI, нового класса топологических материалов, в которых проводящие поверхностные электроны, согласно теории, подчиняются фундаментальным квантовым законам, установленным кристаллической структурой внутренней части.По словам Мадхавана, начиная с TCI, состоящего из свинца и селена, исследователи стремились нарушить его структурную симметрию, провоцируя или допируя материал путем добавления олова.
Последующее разрушение оказало драматическое влияние на безмассовые «дираковские» электроны, которые присутствуют в материале и ведут себя как релятивистские частицы. Манипуляция добавила массу некоторым из этих электронов, которые заняли свои места рядом с электронами Дирака, что является поразительным результатом для твердотельного материала, сказал Мадхаван.Исследователи сообщают, что новые массивные электроны были измерены топологически с помощью сканирующей туннельной микроскопии и электрически с помощью спектроскопии.
По словам Мадхавана, анализ выявил точку Дирака, которая является определяющей характеристикой TCI. Кроме того, исследователи обнаружили, что изменение количества олова позволяет контролировать свойства материала, что соответствует еще одному теоретическому предсказанию.Мадхаван сказал, что результаты подтвердили экзотическую зонную структуру TCI, меру энергии, которой поверхностный электрон может обладать или не обладать в твердом теле.
При этом фундаментальные свойства TCI оставались доступными.Более того, наблюдение и управление дираковскими электронами в ТКИ открывает путь для исследования релятивистской физики в твердотельных системах: физики, которая ранее была доступна только в экспериментах по физике высоких энергий, где частицы ускоряются до скоростей, близких к световым.
Кроме того, эксперименты выявили два различных режима фермиологии, границу энергии, используемую для определения свойств металлов и полупроводников.