Beispielloser Quantenhybridzustand auf Arsenoberfläche entdeckt: ScienceAlert

Physiker haben gerade etwas entdeckt, mit dem niemand gerechnet hatte: Es lauert auf der Oberfläche eines Arsenkristalls.

Beim Studium der Quantentopologie – dem Wellenverhalten von Teilchen in Kombination mit Ingenieursmathematik – fand das Team eine seltsame Mischung aus zwei Quantenzuständen, die jeweils eine andere Art des Stroms beschreiben.

„Dieses Ergebnis war völlig unerwartet.“ Sagt der Physiker M. Zahid Hassan Von der Princeton University. „Niemand hat es theoretisch erwartet, bevor er es beobachtet hat.“

Die Topologie gewinnt zunehmend an Bedeutung für das Verständnis des Verhaltens von Materialien, die nur durch ihre wellenartigen Eigenschaften, sogenannte wellenartige Eigenschaften, beschrieben werden können Quantenmaterie. Angesichts unseres Interesses an der Geometrie von Strukturen, die sich beim Biegen oder Verformen nicht effektiv ändern (sich aber ändern können, wenn sie gebrochen oder durchstochen werden), hat die Topologie das Potenzial, die Quantenaktivität von Materialien auf vielfältige Weise zu beeinflussen.

Ein Großteil dieser Forschung betrifft Verbindungen auf Wismutbasis, da Wismut vorhanden ist Effektiver topologischer Isolator – Eine Substanz, deren äußere Schicht als Aktivitätsleiter und deren innere Schicht als Isolator fungiert. Das bedeutet, dass die Elektronen im Inneren unbeweglich sind, die Elektronen an der Oberfläche und an den Rändern sich jedoch frei bewegen können.

Wird häufig verwendet in HalbleitermaterialienArsen kann auch Es fungiert als topologischer Isolator. Physiker, darunter Hassan und sein Team, haben nach neuen Quantenzuständen in topologischen Isolatoren gesucht, insbesondere solchen, die bei Raumtemperatur funktionieren können.

Materialien auf Wismutbasis haben viele Ideen geliefert, aber sie erfordern hohe Temperaturen und ihre Synthese und Herstellung sind komplex. Im Gegensatz dazu kann Arsen in einer saubereren Form als Wismut gezüchtet werden und ist einfacher herzustellen. Also züchteten die Forscher Kristalle Graues Arsendas ein metallisches Aussehen hat, und angelegte Magnetfelder.

Als nächstes untersuchten sie die Probe mithilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM), die Bilder im subatomaren Maßstab erzeugt, und der optischen Emissionsspektroskopie, die die Energiezustände der Elektronen misst.

Sie fanden Oberflächenzustände – Elektronenzustände fließen entlang der „lückenfreien“ Oberflächen einiger Arten topologischer Isolatoren – was gut und normal ist. Aber auch niemand erwartete, was sie fanden – Randfälle Sie existieren an der Grenze eines völlig anderen Typs von topologischen Isolatoren und wurden noch nie zuvor neben Oberflächenzuständen beobachtet.

„Wir waren überrascht,“ Sagt der Physiker Muhammad Shafayat Hussein Von der Princeton University. „Graues Arsen sollte eigentlich nur Oberflächenzustände haben. Aber als wir die Kanten der Atomstufe untersuchten, fanden wir auch schöne leitfähige Kantenmuster.“

Sie konnten nur zu dem Schluss kommen, dass es sich bei dem, was sie beobachteten, um einen hybriden Zustand handelte, den noch niemand zuvor gesehen hatte.

„Normalerweise gehen wir davon aus, dass die Volumenbandstruktur eines Materials in eine von mehreren unterschiedlichen topologischen Klassen fällt, die jeweils mit einem bestimmten Grenzzustandstyp verbunden sind.“ sagt der Physiker David Hsieh vom California Institute of Technology, das nicht an der Forschung beteiligt war.

„Diese Arbeit zeigt, dass einige Materialien gleichzeitig in zwei Klassen fallen können. Noch interessanter ist, dass die Grenzzustände, die aus diesen beiden Topologien entstehen, interagieren und sich in einen neuen Quantenzustand umwandeln können, der mehr als nur eine Überlagerung ihrer Teile ist.“

Diese Entdeckung könnte die Tür zu einer neuen Art von Quantenmaterialien öffnen, die wiederum die Quantenphysikforschung sowie Technologien wie das Quantencomputing vorantreiben könnten.

„Wir stellen uns vor, dass Arsen mit seiner einzigartigen Topologie als neue Plattform auf ähnlichem Niveau für die Entwicklung neuer topologischer Materialien und Quantengeräte dienen könnte, die derzeit über bestehende Plattformen nicht zugänglich sind.“ Sagt Hassan.

„Es warten aufregende neue Grenzen in der Materialwissenschaft und der neuen Physik auf Sie!“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.