Fysiker har observerat en ny kvanteffekt som kallas ”hybrid topologi” i ett kristallint material. Denna upptäckt öppnar nya möjligheter för utveckling av effektiva material och tekniker för nästa generations kvantvetenskap och kvantteknik.
Upptäckten, som publiceras i Nature, kom när Princeton-forskare upptäckte att en elementär fast kristall gjord av arsenik (As) atomer är värd för en aldrig tidigare observerad form av topologiskt kvantbeteende. De kunde utforska och avbilda detta nya kvanttillstånd med hjälp av ett sveptunnelmikroskop (STM) och fotoemissionsspektroskopi, den senare en teknik som används för att bestämma den relativa energin hos elektroner i molekyler och atomer.
Detta tillstånd kombinerar, eller ”hybridiserar”, två former av topologiskt kvantbeteende – kanttillstånd och yttillstånd, som är två typer av tvådimensionella elektronsystem. Dessa har observerats i tidigare experiment, men aldrig samtidigt i samma material där de blandas för att bilda ett nytt materietillstånd.
”Detta resultat var helt oväntat”, säger M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskningen. ”Ingen förutspådde det i teorin innan det observerades.”
Under de senaste åren har studier av topologiska materietillstånd väckt stor uppmärksamhet bland fysiker och ingenjörer och är för närvarande föremål för stort internationellt intresse och forskning. Detta forskningsområde kombinerar kvantfysik med topologi – en gren av teoretisk matematik som utforskar geometriska egenskaper som kan deformeras men inte förändras i grunden.
I mer än ett decennium har forskare använt vismut (Bi)-baserade topologiska isolatorer för att demonstrera och utforska exotiska kvanteffekter i fasta bulkmaterial, främst genom att tillverka sammansatta material, till exempel genom att blanda Bi med selen (Se). Detta experiment är dock första gången som topologiska effekter har upptäckts i kristaller gjorda av grundämnet As.
”Sökandet efter och upptäckten av nya topologiska egenskaper hos materia har visat sig vara en av de mest eftertraktade skatterna inom modern fysik, både ur en grundläggande fysikalisk synvinkel och för att hitta potentiella tillämpningar inom nästa generations kvantvetenskap och teknik”, säger Hasan. ”Upptäckten av detta nya topologiska tillstånd i ett elementärt fast ämne möjliggjordes av flera innovativa experimentella framsteg och instrument i vårt labb vid Princeton.”
Ett elementärt fast ämne fungerar som en ovärderlig experimentell plattform för att testa olika begrepp inom topologi. Hittills har vismut varit det enda grundämne som har en rik topologi, vilket har lett till två decennier av intensiv forskningsverksamhet. Detta beror delvis på att materialet är rent och lätt att syntetisera. Den aktuella upptäckten av ännu rikare topologiska fenomen i arsenik kommer dock potentiellt att bana väg för nya och hållbara forskningsinriktningar.
”För första gången visar vi att i likhet med olika korrelerade fenomen kan olika topologiska ordningar också interagera och ge upphov till nya och spännande kvantfenomen”, säger Hasan.
Ett topologiskt material är den viktigaste komponenten som används för att undersöka kvanttopologins mysterier. Den här enheten fungerar som en isolator i sitt inre, vilket innebär att elektronerna inuti inte kan röra sig fritt och därför inte leder elektricitet.
Elektronerna på enhetens kanter kan däremot röra sig fritt, vilket innebär att de är ledande. På grund av topologins speciella egenskaper hindras dessutom inte elektronerna som flödar längs kanterna av några defekter eller deformationer. Denna typ av anordning har potential att inte bara förbättra tekniken utan också skapa en större förståelse för själva materien genom att undersöka kvantelektroniska egenskaper.
Hasan konstaterade att det finns ett stort intresse för att använda topologiska material för praktiska tillämpningar. Men två viktiga framsteg måste ske innan detta kan förverkligas. För det första måste kvanttopologiska effekter manifesteras vid högre temperaturer. För det andra måste man hitta enkla och elementära materialsystem (som kisel för konventionell elektronik) som kan vara värd för topologiska fenomen.
”I våra laboratorier arbetar vi i båda riktningarna – vi söker efter enklare materialsystem som är lätta att tillverka och där viktiga topologiska effekter kan hittas”, säger Hasan. ”Vi söker också efter hur dessa effekter kan fås att överleva vid rumstemperatur.”
Experimentets bakgrund
Upptäckten har sina rötter i hur kvant-Halleffekten fungerar – en form av topologisk effekt som belönades med Nobelpriset i fysik 1985. Sedan dess har topologiska faser studerats och många nya klasser av kvantmaterial med topologiska elektroniska strukturer har hittats. Daniel Tsui, Arthur Legrand Doty Professor of Electrical Engineering, Emeritus, vid Princeton, fick 1998 års Nobelpris i fysik för upptäckten av den fraktionella kvant-Halleffekten.
F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton, fick 2016 års Nobelpris i fysik för sina teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och en typ av tvådimensionell (2D) topologisk isolator. Senare teoretisk utveckling visade att topologiska isolatorer kan ta formen av två kopior av Haldanes modell baserad på elektronens spin-orbit-interaktion.
Hasan och hans forskargrupp har följt i dessa forskares fotspår genom att undersöka andra aspekter av topologiska isolatorer och söka efter nya materietillstånd. Detta ledde dem 2007 till upptäckten av de första exemplen på tredimensionella (3D) topologiska isolatorer. Sedan dess har Hasan och hans team under ett decennium sökt efter ett nytt topologiskt tillstånd i dess enklaste form som också kan fungera vid rumstemperatur.
”En lämplig atomkemi och strukturdesign i kombination med första-princip-teori är det avgörande steget för att göra topologiska isolatorers spekulativa förutsägelser realistiska i en högtemperaturmiljö”, säger Hasan.
”Det finns hundratals kvantmaterial, och vi behöver både intuition, erfarenhet, materialspecifika beräkningar och intensiva experimentella ansträngningar för att hitta rätt material för djupgående utforskning så småningom. Och det tog oss på en tio år lång resa där vi undersökte många vismutbaserade material, vilket ledde till många grundläggande upptäckter.”
Experimentet
Vismutbaserade material kan, åtminstone i princip, hysa ett topologiskt tillstånd av materia vid höga temperaturer. Dessa kräver dock komplex materialberedning under ultrahöga vakuumförhållanden, så forskarna bestämde sig för att utforska flera andra system. Den postdoktorala forskaren Md. Shafayat Hossain föreslog en kristall gjord av arsenik eftersom den kan odlas i en form som är renare än många vismutföreningar.
När Hossain och Yuxiao Jiang, doktorand i Hasans grupp, vände STM på arsenikprovet möttes de av en dramatisk observation – grå arsenik, en form av arsenik med metalliskt utseende, har både topologiska yttillstånd och kanttillstånd samtidigt.
”Vi blev förvånade. Grå arsenik antogs bara ha yttillstånd. Men när vi undersökte de atomära stegkanterna fann vi också vackra ledande kantmoder”, säger Hossain.
”En isolerad stegkant i ett monolager borde inte ha en gapless edge mode”, tillade Jiang, en av de första författarna till studien.
Detta är vad som framgår av beräkningar av Frank Schindler, postdoktor och teoretiker inom kondenserad materia vid Imperial College London i Storbritannien, och Rajibul Islam, postdoktor vid University of Alabama i Birmingham, Alabama. Båda är medförfattare till artikeln.
”När en kant placeras ovanpå bulkprovet hybridiseras yttillstånden med de gappade tillstånden på kanten och bildar ett gaplöst tillstånd”, säger Schindler.
”Det här är första gången vi har sett en sådan hybridisering”, tillade han.
Fysiskt sett förväntas ett sådant gaplöst tillstånd på stegkanten inte för vare sig starka eller topologiska isolatorer av högre ordning separat utan endast för hybridmaterial där båda typerna av kvanttopologi finns närvarande. Detta gaplösa tillstånd är också olikt yt- eller gångjärnstillstånd i starka respektive högre ordningens topologiska isolatorer. Detta innebar att Princeton-teamets experimentella observation omedelbart indikerade en typ av topologiskt tillstånd som aldrig tidigare observerats.
David Hsieh, ordförande för fysikavdelningen vid Caltech och en forskare som inte var inblandad i studien, pekade på studiens innovativa slutsatser.
”Vanligtvis anser vi att ett materials bulkbandstruktur faller inom en av flera distinkta topologiska klasser, var och en knuten till en specifik typ av gränstillstånd”, säger Hsieh. ”Det här arbetet visar att vissa material samtidigt kan falla in i två klasser. Det mest intressanta är att de gränstillstånd som uppstår ur dessa två topologier kan interagera och rekonstrueras till ett nytt kvanttillstånd som är mer än bara en superposition av dess delar.”
Forskarna underbyggde ytterligare mätningarna med sveptunnelmikroskopi med systematisk högupplöst vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi.
”Det grå As-provet är mycket rent, och vi hittade tydliga tecken på ett topologiskt yttillstånd”, säger Zi-Jia Cheng, en doktorand i Hasans grupp och en av de första författarna till artikeln som utförde några av fotoemissionsmätningarna.
Kombinationen av flera experimentella tekniker gjorde det möjligt för forskarna att undersöka den unika korrespondensen mellan bulk, yta och kant i samband med det topologiska hybridtillståndet – och bekräfta de experimentella resultaten.
Konsekvenser av resultaten
Effekten av denna upptäckt är tvåfaldig. Observationen av det kombinerade topologiska kantläget och yttillståndet banar väg för att konstruera nya topologiska elektrontransportkanaler. Detta kan göra det möjligt att utforma nya enheter för kvantinformationsvetenskap eller kvantberäkning.
Princetonforskarna visade att de topologiska kantlägena endast förekommer i specifika geometriska konfigurationer som är kompatibla med kristallens symmetrier, vilket banar väg för olika former av framtida nanodevices och spinnbaserad elektronik.
Ur ett bredare perspektiv gynnas samhället när nya material och egenskaper upptäcks, säger Hasan. Inom kvantmaterial har identifieringen av elementära fasta ämnen som materialplattformar, såsom antimon med en stark topologi eller vismut med en topologi av högre ordning, lett till utvecklingen av nya material som har varit till stor nytta för området topologiska material.
”Vi föreställer oss att arsenik, med sin unika topologi, kan fungera som en ny plattform på en liknande nivå för att utveckla nya topologiska material och kvantmekaniska enheter som för närvarande inte är tillgängliga via befintliga plattformar”, säger Hasan.
Princeton-gruppen har utformat och byggt nya experiment för utforskning av topologiska isolatormaterial i över 15 år. Mellan 2005 och 2007, till exempel, upptäckte teamet som leds av Hasan topologisk ordning i en tredimensionell bismuth-antimony bulk solid, en halvledande legering, och relaterade topologiska Dirac-material med hjälp av nya experimentella metoder.
Detta ledde till upptäckten av topologiska magnetiska material. Mellan 2014 och 2015 upptäckte och utvecklade de en ny klass av topologiska material som kallas magnetiska Weyl-semimetaller.
Forskarna tror att denna upptäckt kommer att öppna dörren för en mängd framtida forskningsmöjligheter och tillämpningar inom kvantteknik, särskilt inom så kallad ”grön” teknik.
”Vår forskning är ett steg framåt när det gäller att visa potentialen hos topologiska material för kvantelektronik med energibesparande tillämpningar”, säger Hasan.
Ytterligare information: M. Zahid Hasan, A hybrid topological quantum state in an elemental solid, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07203-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8
