Топологические изоляторы — штука странная. Основная часть такого кристалла является изолирующей и не может проводить электрический ток, но поверхности того же кристалла являются проводящими.
Эти новые материалы представляют большой фундаментальный интерес, но также являются очень многообещающими для ряда будущих приложений в специальных типах электроники и в квантовых вычислениях, и поэтому они являются предметом значительных физических исследований. Значение топологических материалов было подчеркнуто в прошлом году присуждением Нобелевской премии за развитие фундаментальных теорий, излагающих существование и поведение топологической материи.Есть два мощных экспериментальных метода для изучения поведения электронов — частиц, переносящих электрический ток, — на поверхности топологического изолятора. Первый включает пропускание тока через систему в присутствии очень сильного магнитного поля и известен как магнитотранспорт.
Второй предполагает использование луча ультрафиолетового света для исследования поверхности кристалла. В этом случае энергия легкой частицы может быть поглощена электроном, и, таким образом, частицы вблизи поверхности могут покинуть кристалл и подвергнуться анализу. Исследователи могут использовать этот фотоэлектрический эффект для сбора ценной информации об электронных свойствах поверхности топологического изолятора, места, где происходит все действие. Такой эксперимент называется фотоэмиссией.
Более 10 лет исследователи не понимают, почему эти два эксперимента полностью расходятся в применении к топологическим изоляторам. Теперь исследователи из Амстердама, включая двух кандидатов на степень доктора философии, финансируемых FOM, вместе с коллегами из Франции, Швейцарии и Германии недавно увидели причины этого.
Гипотеза? Самая первая вспышка ультрафиолетового света, необходимая для записи данных фотоэмиссии, сама по себе изменяет электронную структуру на поверхности.Величина, которая описывает и объясняет, как электроны в твердом теле делают свое дело, называется зонной структурой.
Его можно рассматривать как своего рода дорожную сеть, которая отображает допустимые комбинации энергии и длины волны, которые электронные волны могут иметь в кристалле. Срез такой ленточной структуры можно легко отобразить как 2D-изображение, подобное изображениям, показанным здесь. Этот вид снимка содержит ценную информацию об электронной структуре топологического изолятора и, в частности, об энергетическом положении точки пересечения двух ветвей, видимых в полосовой структуре. Эта особенность, выделенная цветным маркером на изображениях, называется точкой Дирака в честь физика-теоретика Поля Дирака, теория которого впервые описала электроны, подобные электронам на поверхности топологического изолятора.
Обычно запись изображения полосовой структуры стоит минуту или больше. Но здесь исследователи упорно трудились, чтобы сократить это время до одной секунды, и в результате получилось изображение слева. Точка Дирака (зеленый кружок) соответствует энергии, соответствующей данным магнитотранспорта.
Спустя всего 20 секунд УФ-облучения красный маркер на правом рисунке показывает, что точка Дирака и остальная часть полосовой структуры с ней соскользнули вниз по энергии, что далеко от значения, найденного в экспериментах по переносу.Уже было известно, что молекулы, прилипающие к поверхности топологического изолятора, могут вызывать смещение точки Дирака вниз. Эти новые эксперименты позволили разделить влияние молекул на поверхности и ультрафиолетового света, так что исследователи смогли продемонстрировать, что самая первая вспышка света на самом деле играет роль стартового пистолета, вызывая быстрое скольжение вниз. точка Дирака.Эти новые результаты очень полезны, поскольку фотоэмиссия — очень важный эксперимент в области топологических материалов.
Но означают ли они, что фотоэмиссия созрела для мусорного ведра? Напротив!
Теперь, когда влияние ультрафиолетового света правильно понято, можно разработать протоколы того, как фотоэмиссию можно правильно использовать в будущих исследованиях топологических изоляторов. Результаты фотоэмиссии и рекомендации по усовершенствованию экспериментальных процедур были опубликованы в физическом журнале Physical Review X.