I materiali topologici sono caratterizzati da proprietà elettroniche e fisiche uniche che sono determinate dalla topologia sottostante dei loro sistemi elettronici. Scienziati degli Istituti Max Planck di fisica delle microstrutture (Halle) e di fisica chimica dei solidi (Dresda) hanno scoperto che (TaSe ₄ ) ₂ I è il primo materiale in cui un'onda di densità di carica induce una transizione di fase tra lo stato semimetallico e quello isolante.

Un team internazionale di scienziati del Max Planck Institute for Microstructure Physics, Halle (Saale), l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi di Dresda, Università di Oxford, Accademia cinese delle scienze, MIT, e la Princeton University hanno scoperto il primo esempio di transizione di fase topologica da semimetallo a isolante guidata dalla correlazione in singoli cristalli del materiale (TaSe ₄ ) ₂ I. Negli ultimi anni c'è stato un crescente interesse nel campo dei materiali topologici che mostrano proprietà elettroniche e fisiche uniche derivate dalla topologia sottostante dei loro sistemi elettronici. (TaSe ₄ ) ₂ I è un materiale insolito che è noto per subire una distorsione strutturale appena al di sotto della temperatura ambiente risultante da un'onda di densità di carica.

A causa delle correlazioni elettroniche, il gas di elettroni nel sistema diventa instabile a causa di una variazione periodica a lungo raggio della densità di carica degli elettroni che è intimamente accoppiata a una modulazione periodica delle posizioni atomiche nella struttura cristallina. Allo stesso tempo questo stesso materiale ha dimostrato di essere un metallo topologico di un tipo particolare, vale a dire un semimetallo Weyl. Questo tipo di metallo topologico ha un sistema elettronico che visualizza i punti Weyl in cui le bande elettroniche a dispersione lineare si incrociano senza formare un gap di energia. Questi punti Weyl in (TaSe ₄ ) ₂ vengo in coppia, ognuno dei quali ha una chiralità opposta, e gli autori dell'articolo mostrano che (TaSe ₄ ) ₂ Ho 24 coppie di tali punti con una corrispondente enorme cosiddetta carica chirale di +16.

Nello studio pubblicato sulla rivista Fisica della natura, utilizzando una serie di sofisticate sonde sperimentali della struttura elettronica e cristallina, la squadra internazionale, i cui membri includono sperimentalisti Claudia Felser, Direttore presso l'Istituto Max Planck di Fisica Chimica dei Solidi, Holger Meyerheim, un ricercatore, e Stuart Parkin, Direttore, presso l'Istituto Max Planck per la fisica delle microstrutture, Yulin Chen dell'Università di Oxford, e il teorico Andrei Bernevig dell'Università di Princeton, ha mostrato che le proprietà topologiche di questo composto sono intimamente connesse all'onda di densità di carica, il cui vettore d'onda è derivato dalle connessioni tra punti di Weyl di carica chirale opposta.

"È stato molto impegnativo, ma molto emozionante, per identificare l'onda di densità di carica in questo materiale. Avevamo bisogno di utilizzare sorgenti di raggi X molto brillanti disponibili, Per esempio, presso lo European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, per trovare le firme dei picchi di diffrazione molto deboli dell'onda di densità di carica, " Meyerheim ha sottolineato. Mentre il campione viene raffreddato, forti correlazioni di elettroni portano il sistema nello stato d'onda della densità di carica con conseguente transizione da un semimetallo Weyl topologico a un isolante. Allo stesso tempo, nuova fisica, riportato in un precedente articolo dagli stessi gruppi, appare sotto la transizione.

"Chi avrebbe mai creduto che avremmo trovato una fisica elettronica correlata così sofisticata in un materiale 1-D, " osserva Felser. Questo lavoro mostra un'intima connessione tra topologia e correlazioni e fornisce una via per osservare le realizzazioni della materia condensata dell'elettrodinamica degli assioni, un nuovo tipo di accoppiamento tra campi elettrici e magnetici, in un regime che prima era inaccessibile. un primo esempio, "i nostri calcoli delle strutture elettroniche di molti materiali ci rendono certi che ci devono essere molti più sistemi di questo tipo in cui si intrecciano correlazioni e topologia" ha osservato Bernevig e "siamo entusiasti di cercarli negli esperimenti, " ha aggiunto Yulin. Manipolando l'inizio dell'onda di densità di carica si può ottenere l'accesso diretto alla transizione topologica Weyl Semimetal-Axion Insulator. "Questi materiali sono un ricco parco giochi per potenziali applicazioni nei futuri dispositivi elettronici, un nuovo campo di quella che potresti chiamare "topaxtronics!" Stuart Parkin prevede.