Najlepszy przewodnik topologiczny: spiralna struktura kluczem do egzotycznych odkryć

Materiały topologiczne, które wykazują egzotyczne, odporne na defekty, właściwości, mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w elektronice, optyce czy informatyce kwantowej. Opanowanie ich masowej produkcji przyniesie rewolucję na wielu polach.

Obecnie naukowcy intensywnie badają kilkanaście takich materiałów znanych jako izolatory topologiczne. To materiały, których powierzchnia powinna przenosić ładunki elektryczne niemal bez żadnych oporów, jednak całość ma działać w znacznie wyższych temperaturach niż nadprzewodniki. Jednocześnie wnętrze izolatorów topologicznych nie przewodzi elektryczności.

Specjaliści z Princeton University poinformowali właśnie o odkryciu najbardziej wytrzymałego izolatora topologicznego. To cienki kryształ o strukturze podobnej do DNA czy też spiralnych schodów. Odkrywcy nazwali go topologicznym kryształem chiralnym.

Podczas naszych ostatnich prac udowodniliśmy, że istnieje nowy stan materii kwantowej, który jednocześnie ma niemal idealne właściwości powierzchni topologicznej, będące konsekwencją chiralności struktury krystalicznej, mówi profesor M. Zahid Hasan, jeden z pionierów badań nad materiałami topologicznymi.

W nowym materiale właściwość, która definiuje przewodnictwo topologiczne, które jest powiązane z przewodnictwem elektrycznym powierzchni materiału, jest około 100-krotnie większa niż w dotychczas znanych metalach topologicznych.
Właściwość ta, zwana surface Fermi arc (powierzchniowy łuk Fermiego?) została określona za pomocą spektroskopii fotoemisyjnej w synchrotronie Advanced Light Source (ALS).

Po ponad 12 latach badań nad fizyką topologiczną i materiałami, sądzę, że ujrzeliśmy dopiero wierzchołek góry lodowej. Z naszych pomiarów wynika, że mamy tu do czynienia z najbardziej solidnym topologicznie chronionym przewodnikiem odkrytym do tej pory. To otwiera zupełnie nowe możliwości, mówi profesor Hasan. Pojęcie „topologicznie chroniony” oznacza, że niektóre z właściwości materiału pozostają niezmienne, nawet jeśli materiał nie jest doskonały. Będzie miało to olbrzymie znacznie w przyszłości, gdy będziemy chcieli na masową skalę wytwarzać materiały o świetnych właściwościach.

Ilya Belopolski, naukowiec z Princeton University, który bierze udział zarówno w teoretycznych jak i eksperymentalnych badaniach izolatorów topologicznych zauważa inną, szczególnie interesującą właściwość badanych właśnie kryształów kobaltowo-krzemowych i rodowo-krzemowych – pod wpływem światła wytwarzają one prąd elektryczny o stałej sile. Nasze wcześniej opracowane teorie wykazały, że prąd ten powinien mieć niezmienne konkretne wartości. Nieważne, jakie rozmiary ma próbka lub czy jest zanieczyszczona, wartości te są uniwersalne. To coś niezwykłego, oznacza bowiem, że w praktycznych zastosowaniach wydajność materiału zawsze będzie taka sama, wyjaśnia uczony.

Przed czterema laty informowaliśmy, że międzynarodowy zespół naukowy pracujący pod kierunkiem profesora Hasana odkrył fermiony Weyla, których istnienie przewidziano w 1929 roku. Fermiony, odkryte w syntetycznym krysztale tantalu, mają podobne właściwości elektroniczne, co kryształy będące obiektem najnowszych badań grupy Hasana, z wyjątkiem jednak chiralności.

Nasze wcześniejsze badania nad półmetalami Weyla przetarło nam szlak do badań nad egzotycznymi przewodnikami topologicznymi, wyjaśnia Hasan. W listopadzie 2017 roku zespół Hasana podczas badań teoretycznych stwierdził, że elektrony w krysztale rodowo-krzemowym i innych podobnych materiałach będą zachowywały się w niespotykany sposób. Uczeni przewidywali wówczas, że kwazicząstki w takich materiałach mają właściwości elektronów pozbawionych masy i powinny zachowywać się jak spowolnione trójwymiarowe cząstki światła o  określonej chiralności. Z kolei obliczenia opublikowane na łamach Nature Materials przez Hasana i jego grupę w październiku 2018 roku wykazały, że elektrony w takich kryształach zachowują się kolektywnie jakby były magnetycznymi monopolami. Wszystkie te niezwykłe właściwości są wynikiem chiralnej struktury kryształu.

Kryształy, które obecnie bada Hasan i jego koledzy, mają do kilku milimetrów długości i zostały przygotowane przez różne międzynarodowe laboratoria. Uczeni najpierw dokładnie je opisali podczas badań prowadzonych na specjalistycznym sprzęcie w Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopy na Princeton University, a następnie kryształy przetransportowano do Berkeley Lab celem dalszych badań. Tam najpierw zostały poddane specjalnym technikom polerowania w Molecular Foundry. Zwykle na potrzeby takich badań kryształy są łamane tak, by miały grubość liczoną w atomach.
Jednak obecnie badane kryształy są niezwykle wytrzymałe. Dlatego też w Molecular Foundry musiano ostrzeliwać je wysoko energetycznymi atomami argonu, co pozwoliło oczyścić i spłaszczyć próbki, a następnie poddano je ponownej krystalizacji i polerowaniu.

Dotychczasowe badania wykazały, że zachowanie elektronów w tych kryształach jest ściśle powiązane z chiralnością ich struktury. Dlatego też profesor Hasan uważa, że istnieją jeszcze inne sposoby badań takich materiałów. To może prowadzić do powstania nowych rodzajów nadprzewodników lub badania nowych zjawisk kwantowych, mówi Hasan. Uczony zastanawia się nawet, czy możliwe jest uzyskanie chiralnego topologicznego nadprzewodnika. Dodaje, że co prawda właściwości topologiczne, które wraz z zespołem może obserwować w kryształach rodowo-krzemowych i kobaltowo-krzemowych są uznawane z idealne, jednak nie można wykluczyć, że w wielu innych materiałach byłyby one jeszcze lepsze.

Okazuje się, że te zjawiska fizyczne można będzie uzyskać w przyszłości w innych materiałach, które lepiej będą pasowały do naszych potrzeb, stwierdza profesor Hasan.

przewodnik topologiczny kryształ elektron