La conduzione elettrica sulla superficie dell'isolante topologico ioduro di bismuto (frecce rosa e verdi) passa dai lati 2D (a sinistra) ai bordi 1D di quei lati (a destra) quando il materiale viene raffreddato a una temperatura critica di circa 80 gradi Fahrenheit. Credito:Jianwei Huang/Rice University
Un team della Rice University e i suoi collaboratori hanno scoperto una transizione a temperatura ambiente tra gli stati di conduzione elettrica 1D e 2D nei cristalli topologici di bismuto e iodio.
I ricercatori hanno scoperto di poter alternare il materiale, catene cristalline di ioduro di bismuto (Bi 4 io 4 ), tra stati di conduzione di basso e alto ordine a una temperatura di transizione di circa 80 gradi Fahrenheit. La ricerca è disponibile online questa settimana sulla rivista dell'American Physical Society Revisione fisica X ed è stato condotto da fisici di Rice; l'Università del Texas a Dallas; l'Università della California, Berkeley; Università statale dell'Ohio; e altre istituzioni.
Bi 4 io 4 è un isolante topologico, un materiale che è conduttivo sulla sua superficie o sui bordi ma non al suo interno. Il reticolo cristallino di Bi 4 io 4 subisce un leggero spostamento alla temperatura di transizione. Lo spostamento cambia il comportamento elettronico del materiale, e lo studio ha mostrato questo cambiamento, o "transizione di fase, " è il confine tra gli stati di conduzione topologica 1D e 2D.
Lo stato 2D ad alta temperatura presenta conduzione elettrica attorno ai quattro lati dei cristalli rettangolari. I fisici del riso Ming Yi, Jianwei Huang e i loro collaboratori hanno scoperto che la conduzione passava ai bordi 1D quando il materiale veniva raffreddato sotto gli 80 gradi.
"Questa è la prima prova che suggerisce che lo stato a bassa temperatura è in realtà un isolante topologico di ordine superiore in cui la conduzione avviene sui cardini del cristallo rispetto alle superfici, " disse Yi, un assistente professore di fisica e astronomia e co-autore corrispondente dello studio PRX. "Immagina di partire dallo stato ad alta temperatura, dove si ha un ingombro isolante e superfici conduttive attorno ai lati del materiale. Non appena attraversi questa distorsione strutturale, la conduzione è confinata ai cardini unidimensionali dove questi lati si incontrano."
Fisici della Rice University (in senso orario da sinistra) Yichen Zhang, Ruohan Wang, Yucheng Guo, Jianwei Huang, Han Wu e Ming Yi sono membri di un team guidato da Rice che ha scoperto una transizione a temperatura ambiente tra gli stati di conduzione elettrica 1D e 2D nei cristalli topologici di bismuto e iodio. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Nella maggior parte dei materiali, le differenze tra le fasi, come il ghiaccio solido o l'acqua liquida, derivano da diverse simmetrie organizzative delle loro parti costituenti. Negli anni '80, i fisici scoprirono fasi della materia con simmetrie identiche. Alla fine è stato dimostrato che derivano da proprietà topologiche, stati quantistici "protetti" che sono di crescente interesse per il calcolo quantistico.
Yi ha detto che il cambiamento dimensionale nella conduzione elettrica mediato da Bi 4 io 4 La transizione di fase potrebbe essere potenzialmente utilizzata per progettare un interruttore elettrico azionato dal cambiamento di temperatura.
"Questa transizione avviene a temperatura ambiente, " disse Yi. "È una transizione di fase di primo ordine, il che significa che il cambiamento avviene molto improvvisamente. È un piccolo spostamento del reticolo cristallino che ha un impatto diretto sulla conduzione elettrica ai confini del cristallo".
Huang, un ricercatore postdottorato di Rice e autore principale dello studio, detti laboratori di tutto il mondo stanno correndo per trovare e catalogare materiali topologici, e solo di recente i fisici hanno iniziato a classificarli in sottofamiglie.
mentre Bi 4 io 4 la combinazione di proprietà di è unica, Huang ha detto che la scoperta di questa settimana potrebbe aiutare la ricerca di materiali topologici simili.
La conduzione elettrica sulla superficie dei cristalli rettangolari dell'isolante topologico ioduro di bismuto (Bi4I4) è rappresentata da frecce rosa e verdi. I fisici della Rice University hanno scoperto transizioni di conduzione da una superficie 2D su quattro lati dei cristalli (in alto a destra) ai bordi 1D di quei lati (in alto a sinistra) a causa di un sottile spostamento nel reticolo cristallino del materiale (in basso, da destra a sinistra) quando il materiale viene raffreddato a una temperatura critica di circa 80 gradi Fahrenheit. Credito:Jianwei Huang/Rice University
"I nostri risultati sono coerenti con le recenti previsioni teoriche di isolanti topologici di ordine superiore che vanno oltre lo scopo dei database di materiali topologici stabiliti, " Egli ha detto.
Il laboratorio di Yi e i collaboratori nel laboratorio di UC Berkeley, l'autore corrispondente Robert Birgeneau, hanno utilizzato una tecnica sperimentale chiamata spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) per mappare Bi 4 io 4 le caratteristiche della banda elettronica.
"ARPES è la migliore sonda per esaminare i materiali topologici perché c'è una firma molto distinta che dirà se i materiali sono topologici o meno, " lei disse.
Per distinguere tra gli stati di conduzione 1D e 2D, la sua squadra ha dovuto "guardare superfici diverse, e questo è estremamente difficile da fare, " disse Yi.
Yi ha affermato che i contributi critici sono venuti dagli autori corrispondenti di UT Dallas, Fan Zhang, che ha fornito indicazioni teoriche e previsioni, e Bing Lv, il cui laboratorio ha sintetizzato Bi 4 io 4 cristalli lunghi anche un centimetro, largo un millimetro e spesso centinaia di micron. La dimensione dei cristalli ha permesso a Huang di effettuare misurazioni ARPES cruciali sia sulla parte superiore che sui lati dei materiali.
