团队发现在拓扑材料中打开和关闭异域属性的新方法

2019-06-14 17:32:51

某些奇特材料的奇特特征允许电子从材料的一个表面传播到另一个表面,就好像两者之间没有任何东西一样。现在,研究人员已经证明,他们可以通过光脉冲切换材料进出稳定的拓扑状态来打开和关闭此功能。该方法可以提供一种操纵材料的新方法,该材料可以用于未来的量子计算机和无损耗电流的设备。

拓扑材料对于这些应用特别有意义,因为它们的电子状态对外部扰动(例如加热,机械压力和材料缺陷)具有极强的抵抗力。但是为了利用这些材料,科学家们还需要微调其性质的方法。

“在这里,我们发现了一种使用光作为外部扰动的超快速和节能手段来驱动材料进出其稳定的拓扑状态,”该研究的首席研究员,该部副教授Aaron Lindenberg说。能源公司的SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学。

SLAC /斯坦福大学的团队在Nature上发表了他们的成果 。

用光控制拓扑

在数学中,拓扑描述了几何对象如何在不丢失某些属性的情况下转换为各种形状。例如,一个球体可以变成一个平坦的圆盘而不是一个圆环,因为这需要在其中戳一个洞。

在材料中,拓扑的概念更抽象,但它同样导致非凡的鲁棒性:拓扑状态的材料保持其外来特性,例如在外部扰动下以极小的损耗导电的能力。

“这些材料为理解材料物理学中的新概念提供了一个令人兴奋的平台,我们一直在积极学习利用其独特潜力的新方法,”斯坦福大学Geballe实验室与Lindenberg合作的研究员Edbert Sie说道。新研究的主要作者之一。拓扑材料研究荣获 2016年诺贝尔物理学奖 和 2019年突破奖。

虽然拓扑材料的稳定性已知,但某些扰动也会使它们脱离稳定状态。“在我们自己的工作中,我们正在寻找利用光和应变来操纵拓扑材料并创造可能对未来应用有用的新材料状态的方法,”Sie说。

这项研究的重点是一种名为钨二碲化物的拓扑材料,它由堆叠的二维层制成。科学家已经提出,当材料处于其拓扑状态时,这些层中原子的特定排列可以产生所谓的Weyl节点,其具有独特的电子特性,例如零电阻电导率。这些点可以被认为是类似虫洞的特征,其在材料的相对表面之间隧穿电子。

Sie和他的同事开始用太赫兹辐射脉冲来调整材料的特性,太赫兹辐射是一种不可见的光,其波长介于红外和微波辐射之间。他们发现的东西让他们感到惊讶:通过光线,他们能够在拓扑状态和非拓扑状态之间快速切换材料,有效地关闭零电阻状态并重新开启。

“这是有史以来第一次有人看到这种转换行为,”Lindenberg团队的研究生,该研究的另一位主要作者Clara Nyby说。“使用太赫兹辐射是关键,因为它的能量可以有效地驱动这种运动。”

超快'电子相机'显示材料开关

为了找出材料究竟发生了什么,研究人员使用SLAC的超快电子衍射仪器 (UED) - 一种高速“电子相机” - 在材料被太赫兹脉冲击中后立即快速拍摄材料的原子结构。

他们发现脉冲以相反的方向移动相邻的原子层,扭曲了材料的原子结构。结构开始振荡,层围绕原始位置来回摆动(见上图)。向一个方向摆动,材料失去了拓扑性质。在另一个方向摆动,物业再次出现并变得更加稳定。

“材料中可能会发生许多原子运动,”SLAC UED团队负责人的共同作者Xijie Wang说。“太赫兹脉冲和UED的组合,这是第一次使用,使这个实验成为可能。它让我们能够快速识别出这种特殊的振荡运动。“

共同作者,SLAC的副研究员Das Pemmaraju说:“UED数据也是计算材料电子结构及其对太赫兹辐射响应的基础。我们的研究结果表明,辐射驱使材料脱离其拓扑状态,然后再进入其中。“

还有待观察,该团队获得临时专利的这种切换机制是如何实际使用的。“这是游戏的早期,”Sie说。“但我们可以利用光和应变以相当简单的方式操纵拓扑材料这一事实具有巨大的潜力。”

接下来,科学家们希望将他们的方法应用于更多材料,并研究这些结构修改如何改变其电子特性,进一步探索拓扑材料科学的世界。