Nytt topologiskt kvantmaterial upptäckt

Topologiska material uppvisar ovanliga materiefaser som t ex kvanttillstånd där elektronernas rörelse inte kan påverkas utifrån, vilket på ett effektivt sätt skyddar tillståndet mot störningar. Att ett material skulle kunna ha flera topologiska faser har teoretiskt sett betraktas som möjligt men har inte kunnat bekräftas. Förrän nu. I ett internationellt samarbete kunde Uppsalafysiker bevisa existensen av två olika topologiska kvanttillstånd i ett enskilt material, Hf2Te2P.

Elektronens unika beteende hos topologiska material beror på särskilda kombinationer av elektronens kvanttillstånd och kristallsymmetri. För tio år sedan upptäcktes de första så kallade topologiska isolatorerna som inte leder elektrisk ström inuti materialet, men kan leda mycket ström på ytan. Sedan dess har flera olika topologiska material upptäckts. Alla hittills kända material känneteckens av att de härbärgerar en enda topologisk kvantfas.

I ett internationellt samarbete med både experimentell och teoretisk forskning från USA, Sverige, Polen och Taiwan har nu forskare bevisat att det är möjligt att ha flera olika topologiska kvanttillstånd i ett enda material. Upptäckten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.

Uppsalafysikerna Alex Aperis, Ashis Nandy, Pablo Maldonado och Peter Oppeneer använde kvantmekaniska beräkningar och utvecklade en teori för att bestämma de topologiska invarianterna som är oumbärliga för att avgöra om ett kvanttillstånd är topologiskt skyddat eller inte. På det sättet kunde de förutsäga att materialet Hf2Te2P skulle härbärgera fler helt olika topologiska faser – en Dirac-kon som formas av tillståndet på materialets yta och en en-dimensionell Dirac-nod-linje som formas av andra yttillstånd.

Uppsalaforskarnas samarbetspartners i Florida, USA, lyckades detektera de bägge topologiska kvanttillstånden genom högupplöst fotoelektronspektroskopi. Upptäckten av Dirac-nod-linjen är särskilt uppseendeväckande eftersom detta kvanttillstånd är en ny topologisk kvantfas som är annorlunda från tidigare kända topologiska tillstånd. Tillståndet är skyddat genom en tvådimensionell form av tidsinvarians, vilket Uppsalafysikerna kunde bevisa.

Topologiska kvantmaterial förväntas kunna användas till exempel i framtidens kvantdatorer eller spinntroniska komponenter just därför att den topologiska invarianten skyddar elektronernas rörelse mot störningar utifrån. Att ha olika topologiska kvanttillstånd i ett och samma material öppnar för fler möjliga tillämpningar.

- Det är förbluffande häpnadsväckande att vår teori kunde förutsäga förekomsten av två helt olika topologiska materiefaser på ytan och att deras existens med noggrannhet kunde bevisas experimentellt precis där vi hade förutsagt att de skulle finnas. Den främsta slutsatsen vi drar av dessa nya forskningsresultat är att det att det fortfarande finns okända topologiska kvantfaser att utforska, säger Alex Aperis, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, som utvecklade teorin bakom upptäckten.

För mer information:
Dr. Alex Aperis, tel. 076 921 23 12, alex.aperis@physics.uu.se,
Prof. Peter Oppeneer, tel. 070 960 40 16, peter.oppeneer@physics.uu.se, institutionen för fysik och astronomi.

Artikelreferens
Distinct multiple fermionic states in a single topological metal.
M. M. Hosen et al., Nature Communications,
DOI:10.1038/s41467-018-05233-1