La ricerca fondamentale nella fisica della materia condensata ha portato enormi progressi nelle moderne capacità elettroniche. transistor, fibra ottica, LED, supporti di memorizzazione magnetici, schermi al plasma, semiconduttori, superconduttori:l'elenco delle tecnologie nate dalla ricerca fondamentale nella fisica della materia condensata è sbalorditivo. Gli scienziati che lavorano in questo campo continuano a esplorare e scoprire nuovi fenomeni sorprendenti che promettono i progressi tecnologici di domani.

Un'importante linea di indagine in questo campo riguarda la topologia, una struttura matematica per descrivere gli stati della superficie che rimangono stabili anche quando il materiale viene deformato da stiramenti o torsioni. La stabilità intrinseca degli stati superficiali topologici ha implicazioni per una serie di applicazioni in elettronica e spintronica.

Ora, un team internazionale di scienziati ha scoperto una nuova forma esotica di stato topologico in una vasta classe di cristalli semimetallici 3-D chiamati semimetalli Dirac. I ricercatori hanno sviluppato un ampio macchinario matematico per colmare il divario tra i modelli teorici con forme di topologia di "ordine superiore" (topologia che si manifesta solo al confine di un confine) e il comportamento fisico degli elettroni nei materiali reali.

Il team comprende scienziati dell'Università di Princeton, incluso il ricercatore post-dottorato Dr. Benjamin Wieder, Professore di chimica Leslie Schoop, e il professore di fisica Andrei Bernevig; presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, Professore di fisica Barry Bradlyn; presso l'Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, Professore di fisica Zhijun Wang; alla State University di New York a Stony Brook, Professoressa di fisica Jennifer Cano (Cano è anche affiliata al Flatiron Institute della Simons Foundation); e alla Hong Kong University of Science and Technology, Professore di fisica Xi Dai. I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 31 gennaio, 2020.

Nell'ultimo decennio, I fermioni di Dirac e Weyl sono stati previsti e confermati sperimentalmente in numerosi materiali allo stato solido, in particolare in arseniuro di tantalio cristallino (TaAs), il primo semimetallo topologico fermione di Weyl scoperto. Diversi ricercatori hanno osservato che TaAs mostra stati di superficie topologici 2-D noti come "archi di Fermi". Ma fenomeni simili osservati nei semimetalli fermionici di Dirac sono sfuggiti alla comprensione, fino ad ora.

Cos'è un arco di Fermi? Nel contesto dei semimetalli, è uno stato superficiale che si comporta come metà di un metallo bidimensionale; l'altra metà si trova su una superficie diversa.

Bradlyn nota, "Questo non è qualcosa che è possibile in un sistema puramente 2-D, e può avvenire solo in funzione della natura topologica di un cristallo. In questo lavoro, abbiamo scoperto che gli archi di Fermi sono confinati alle cerniere 1D nei semimetalli di Dirac." In lavori precedenti, Dai, Bernevig, e colleghi hanno dimostrato sperimentalmente che le superfici 2-D dei semimetalli Weyl devono ospitare archi di Fermi, indipendentemente dai dettagli della superficie, come conseguenza topologica dei punti Weyl (fermioni) presenti in profondità all'interno della massa del cristallo. Questo è stato inizialmente previsto in teoria da Vishwanath, et al.

"I semimetalli Weyl hanno strati come le cipolle, " nota Dai. "È straordinario che tu possa continuare a sbucciare la superficie di TaAs, ma gli archi ci sono sempre."

I ricercatori hanno anche osservato stati superficiali simili ad arco nei semimetalli di Dirac, ma i tentativi di sviluppare una relazione matematica simile tra tali stati di superficie e i fermioni di Dirac nella maggior parte del materiale non hanno avuto successo:era chiaro che gli stati di superficie di Dirac derivano da un diverso, meccanismo non correlato, e si è concluso che gli stati di superficie di Dirac non erano topologicamente protetti.

Nello studio attuale, i ricercatori sono rimasti sorpresi di incontrare fermioni di Dirac che sembravano mostrare stati di superficie topologicamente protetti, contraddicendo questa conclusione. Lavorando su modelli di semimetalli Dirac derivati ​​da isolanti topologici quadrupolari, sistemi topologici di ordine superiore recentemente scoperti da Bernevig in collaborazione con il professore di fisica dell'Illinois Taylor Hughes, hanno scoperto che questa nuova classe di materiali presenta robusti, condurre stati elettronici in 1D, o due dimensioni in meno rispetto ai punti Dirac 3D sfusi.

Inizialmente confuso dal meccanismo attraverso il quale apparivano questi stati di "cerniera", i ricercatori hanno lavorato per sviluppare un ampio, modello esattamente risolvibile per gli stati legati di quadrupoli topologici e semimetalli di Dirac. I ricercatori hanno scoperto che, nei semimetalli Dirac, Gli archi di Fermi sono generati da un meccanismo diverso rispetto agli archi nei semimetalli Weyl.

"Oltre a risolvere il problema decennale se i fermioni di Dirac della materia condensata abbiano stati di superficie topologici, "Note più Wieder, "abbiamo dimostrato che i semimetalli di Dirac rappresentano uno dei primi materiali allo stato solido che ospitano le firme dei quadrupoli topologici".

Bradlyn aggiunge, "A differenza dei semimetalli Weyl, i cui stati superficiali sono cugini delle superfici degli isolanti topologici, abbiamo dimostrato che i semimetalli di Dirac possono ospitare stati di superficie che sono cugini degli stati d'angolo di isolanti topologici di ordine superiore."

Bradlyn descrive la metodologia del team:"Abbiamo adottato un approccio su tre fronti per sistemare le cose. Primo, abbiamo costruito alcuni modelli giocattolo per sistemi che ci aspettavamo avessero queste proprietà, ispirato da lavori precedenti sui sistemi topologici di ordine superiore in 2-D, e utilizzando la teoria dei gruppi per imporre vincoli in tre dimensioni. Ciò è stato fatto principalmente dal Dr. Wieder, Prof. Cano, e me stesso.

"Secondo, Il dottor Wieder ed io abbiamo svolto un'analisi teorica più astratta dei sistemi in due dimensioni, derivando le condizioni per le quali sono tenuti a esibire stati cerniera, anche al di fuori dei modellini giocattolo."

"Terzo, abbiamo eseguito un'analisi di materiali noti, combinando l'intuizione chimica del professor Leslie Schoop, i nostri vincoli di simmetria, e calcoli ab initio del professor Zhijun Wang per dimostrare che i nostri stati dell'arco cerniera dovrebbero essere visibili nei materiali reali."

Quando la polvere si è posata, il team ha scoperto che quasi tutti i semimetalli Dirac della materia condensata dovrebbero in effetti mostrare stati cerniera.

"Il nostro lavoro fornisce una firma fisicamente osservabile della natura topologica dei fermioni di Dirac, che prima era ambiguo, " nota Cano.

Bradlyn aggiunge, "È chiaro che numerosi semimetalli di Dirac precedentemente studiati hanno in realtà stati limite topologici, se uno guarda nel posto giusto."

Attraverso i calcoli dei principi primi, i ricercatori hanno dimostrato teoricamente l'esistenza di stati cerniera trascurati sui bordi dei semimetalli Dirac noti, compreso il materiale prototipo, arseniuro di cadmio (Cd ₃ Come ₂ ).

Bernevig commenta, "Con un team straordinario che unisce le competenze della fisica teorica, calcoli dei primi principi, e chimica, siamo stati in grado di dimostrare la connessione tra topologia di ordine superiore in due dimensioni e semimetalli di Dirac in tre dimensioni, per la prima volta."

I risultati del team hanno implicazioni per lo sviluppo di nuove tecnologie, anche in spintronica, perché gli stati cerniera possono essere convertiti in stati limite la cui direzione di propagazione è legata al loro spin, proprio come gli stati del bordo di un isolante topologico 2-D. Inoltre, nanotubi di semimetalli topologici di ordine superiore potrebbero realizzare la superconduttività topologica sulle loro superfici quando avvicinati a superconduttori convenzionali, potenzialmente realizzando più fermioni di Majorana, che sono stati proposti come ingredienti per ottenere un calcolo quantistico tollerante ai guasti.