Gli isolanti topologici (TI) sono materiali isolanti sfusi che tuttavia mostrano una conduttività metallica sulle loro superfici. Questa conduttività è garantita dalla topologia della struttura a bande di massa:la superficie presenta questi stati finché la simmetria che definisce l'indice topologico rimane la stessa.

Nelle cosiddette TI forti, questi stati sono protetti e quindi presenti su tutte le superfici. In TI deboli, tuttavia, queste proprietà sono protette solo su superfici con un certo orientamento. Accatastamento di TI bidimensionali, cioè QSHI, per formare un cristallo tridimensionale, Per esempio, generalmente produce un TI debole senza stati protetti sulle superfici superiore o inferiore del cristallo:ci sono stati superficiali metallici ereditati dagli stati di bordo del TI 2-D, ma anche un piano di superficie isolante normale alla direzione di accatastamento.

Recenti lavori teorici, svolto anche dai ricercatori MARVEL, suggerito tuttavia che questo potrebbe non essere il caso di stacked, o alla rinfusa, jacutingaite. La ricerca ha suggerito uno scenario più complicato:il materiale potrebbe essere un isolante cristallino topologico (TCI) e un TI debole. Nei TCI, la topologia è definita dalla simmetria rispetto ad un piano speculare e gli stati della superficie metallica possono essere trovati su superfici perpendicolari ad esso. Questo stato potrebbe essere previsto nel materiale a causa della sua triplice simmetria speculare. La jacutingaite mantiene anche la simmetria traslazionale nell'impilamento degli strati, tuttavia, il che significa che potrebbe anche presentare le proprietà di un TI debole. Fino ad ora, però, non ci sono stati risultati sperimentali sulla struttura bulk band.

Ricerca avviata dal laboratorio THEOS dell'EPFL e condotta in collaborazione con il Dipartimento di fisica della materia quantistica dell'Università di Ginevra e altri gruppi tra cui la Diamond Light Source nel Regno Unito, ha ora tuttavia descritto la prima sintesi in assoluto di un singolo cristallo di jacutingaite e ha utilizzato il campione per fornire prove della loro natura dual-topologica confrontando la struttura elettronica di massa e di superficie determinata da esperimenti di fotoemissione risolta ad angolo basati su sincrotrone (ARPES) con DFT calcoli. La carta, Struttura elettronica di massa e di superficie del Pt . semimetallico a doppia topologia ₂ HgSe ₃ , è stato recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Il lavoro ha rivelato stati superficiali topologicamente protetti nel piano di scissione naturale (001) del materiale, inaspettato in quanto dovrebbe supportare una fase topologica debole poiché è uno stack di QSHI 2-D. I calcoli di alcuni invarianti topologici hanno confermato la fase dell'isolante topologico debole generalmente caratterizzata da modi gapless sulle superfici laterali, ma stati completamente divaricati sulle superfici superiore e inferiore. Gli stati superficiali trovati sulla superficie 001 sono stati quindi assunti come la manifestazione di una diversa fase topologica.

I ricercatori hanno ipotizzato che potrebbe essere un'indicazione della fase TCI associata alla simmetria a triplo specchio del cristallo. In tal caso, sono previsti stati superficiali topologicamente protetti su superfici cristalline che conservano la simmetria speculare e questo è stato il caso della superficie spaccata (001).

Utilizzando i calcoli dei primi principi, i ricercatori sono stati in grado di identificare questo stato superficiale come la firma di una fase TCI che coesiste con la fase WTI generica trovata negli stessi calcoli. I risultati forniscono quindi evidenza per la doppia topologia prevista di Pt ₂ HgSe ₃ . Ciò che è rimasto poco chiaro, tuttavia, è il meccanismo alla base dello status di jacutingaite come doppio isolante topologico.

Questo stesso argomento è stato affrontato nel lavoro teorico sviluppato presso il THEOS dell'EPFL, ricerca che integrava il lavoro sperimentale e computazionale svolto nell'altro documento. Nel documento Emergente dual topology nel tridimensionale Kane-Mele Pt ₂ HgSe ₃ , ricercatori Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, e il collega Marco Gibertini dell'Università di Ginevra, già di THEOS, ha esteso il modello bidimensionale di Kane-Mele (KM) utilizzato per descrivere i materiali topologici alla jacutingaite bulk. Il documento è stato recentemente pubblicato su Physical Review Research.

Hanno dimostrato che la topologia inaspettata nella jacutingaite bulk deriva da una forte ibridazione interstrato che porta a una generalizzazione 3D del modello KM. Mentre gli strati più vicini sono quasi disaccoppiati, c'è un grande, peculiare termine hopping che indica un forte accoppiamento tra strati distanti due strati. Gli strati pari e dispari sono quindi più o meno indipendenti e possono essere descritti separatamente da un modello KM 3D, soprannominato J3KM sul giornale, che include un'inversione di banda guidata da questo nuovo termine saltellante. Ciò si traduce in una linea nodale che è interrotta dall'accoppiamento spin-orbita e un numero di Chern diverso da zero, ovvero stati di superficie protetti coerenti con i TCI. Tuttavia, quando viene ripristinato l'accoppiamento tra i livelli pari e dispari, il materiale funge nuovamente da WTI.

Questa intuizione fornisce una comprensione microscopica della duplice topologia emergente del materiale. Il modello J3KM prevede la presenza di stati di superficie e linee nodali interrotte da interazioni spin-orbita, in accordo con le misurazioni ARPES e le simulazioni dei principi primi effettuate nell'altro documento. Il modello è rilevante per tutti gli altri materiali stratificati costituiti da reticoli a nido d'ape impilati e fornisce una strategia interessante per rompere il paradigma standard degli isolanti topologici deboli.

Finalmente, la combinazione delle prove sperimentali, le simulazioni dei primi principi e i modelli teorici sulla jacutingaite 3-D supportano la precedente previsione di THEOS secondo cui la jacutingaite 2-D è un isolante di Hall di spin quantistico di tipo Kane-Mele (simile al grafene).