Uno stato topologico semimetallico di Dirac viene realizzato nel punto critico nella transizione di fase da un isolante normale a un isolante topologico. I segni + e - indicano la parità pari e dispari delle bande di energia. Credito:Yulin Chen, Oxford
La scoperta di quella che è essenzialmente una versione 3D del grafene - i fogli 2D di carbonio attraverso i quali gli elettroni corrono a una velocità molte volte superiore alla velocità con cui si muovono attraverso il silicio - promette nuove entusiasmanti novità per l'industria high-tech, inclusi transistor molto più veloci e dischi rigidi molto più compatti. Una collaborazione di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE ha scoperto che il bismutato di sodio può esistere come una forma di materia quantistica chiamata semimetallo Dirac topologico tridimensionale (3DTDS). Questa è la prima conferma sperimentale dei fermioni di Dirac 3D all'interno o alla massa di un materiale, uno stato nuovo che è stato proposto solo di recente dai teorici.
"Un 3DTDS è una controparte tridimensionale naturale del grafene con mobilità e velocità di elettroni simili o addirittura migliori, "dice Yulin Chen, un fisico con Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab quando ha avviato lo studio che ha portato a questa scoperta, e ora con l'Università di Oxford. "A causa dei suoi fermioni di Dirac 3D alla rinfusa, un 3DTDS presenta anche un'intrigante magnetoresistenza lineare non saturante che può essere di ordini di grandezza superiore ai materiali GMR ora utilizzati nei dischi rigidi, e apre le porte a sensori ottici più efficienti."
Chen è l'autore corrispondente di un articolo in Scienza denunciando la scoperta. L'articolo è intitolato "Scoperta di un semimetallo di Dirac topologico tridimensionale, N / A 3 Bi." I coautori erano Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung Kwan Mo, Zhi-Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai e Zahid Hussain.
Due dei nuovi materiali più interessanti nel mondo dell'alta tecnologia oggi sono il grafene e gli isolanti topologici, materiali cristallini che sono elettricamente isolanti in massa ma conduttori in superficie. Entrambi presentano fermioni di Dirac 2D (fermioni che non sono la propria antiparticella), che danno origine a proprietà fisiche straordinarie e molto ambite. Gli isolanti topologici possiedono anche una struttura elettronica unica, in cui gli elettroni di massa si comportano come quelli di un isolante mentre gli elettroni di superficie si comportano come quelli del grafene.
La Beamline 10.0.1 presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab è ottimizzata per lo studio di strutture elettroniche e sistemi di elettroni correlati. Credito:Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab
"Il rapido sviluppo del grafene e degli isolanti topologici ha sollevato dubbi sull'esistenza di controparti 3D e altri materiali con topologia insolita nella loro struttura elettronica, " dice Chen. "La nostra scoperta risponde a entrambe le domande. Nel bismutato di sodio che abbiamo studiato, le bande di conduzione e di valenza si toccano solo in punti discreti e si disperdono linearmente lungo tutte e tre le direzioni del momento per formare fermioni di Dirac 3D. Per di più, anche la topologia di una struttura elettronica 3DTSD è unica come quella degli isolanti topologici."
La scoperta è stata fatta presso l'Advanced Light Source (ALS), una struttura per utenti nazionali DOE ospitata presso il Berkeley Lab, usando la linea di luce 10.0.1, che è ottimizzato per studi sulla struttura degli elettroni. Il team di ricerca collaboratore ha prima sviluppato una procedura speciale per sintetizzare e trasportare correttamente il bismutato di sodio, un composto semimetallico identificato come un forte candidato 3DTDS dai coautori Fang e Dai, teorici con l'Accademia cinese delle scienze.
Alla linea di luce ALS 10.0.1, i collaboratori hanno determinato la struttura elettronica del loro materiale utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), in cui i raggi X che colpiscono una superficie o un'interfaccia di materiale provocano la fotoemissione di elettroni ad angoli ed energie cinetiche che possono essere misurate per ottenere uno spettro elettronico dettagliato.
"ALS beamline 10.0.1 è perfetto per esplorare nuovi materiali, poiché ha una capacità unica per cui l'analizzatore viene spostato anziché il campione per le scansioni di misurazione ARPES, " Dice Chen. "Ciò ha reso il nostro lavoro molto più semplice poiché la superficie del campione tagliata del nostro materiale a volte ha più sfaccettature, il che rende difficili da eseguire gli schemi di misurazione a campione rotante tipicamente impiegati per le misurazioni ARPES."
Il bismutato di sodio è troppo instabile per essere utilizzato in dispositivi senza un imballaggio adeguato, ma innesca l'esplorazione per lo sviluppo di altri materiali 3DTDS più adatti ai dispositivi di tutti i giorni, una ricerca che è già in corso. Il bismutato di sodio può essere utilizzato anche per dimostrare potenziali applicazioni dei sistemi 3DTDS, che offrono alcuni vantaggi distinti rispetto al grafene.
"Un sistema 3DTDS potrebbe fornire un significativo miglioramento dell'efficienza in molte applicazioni rispetto al grafene grazie al suo volume 3D, " Dice Chen. "Inoltre, la preparazione di film di grafene a dominio singolo atomicamente sottili di grandi dimensioni è ancora una sfida. Potrebbe essere più semplice fabbricare dispositivi di tipo grafene per una gamma più ampia di applicazioni dai sistemi 3DTDS".
Inoltre, Chen dice, un sistema 3DTDS apre anche la porta ad altre nuove proprietà fisiche, come il diamagnetismo gigante che diverge quando l'energia si avvicina al punto di Dirac 3D, magnetoresistenza quantistica alla rinfusa, strutture uniche di livello Landau sotto forti campi magnetici, e gli effetti Hall di spin quantistico oscillante. Tutte queste nuove proprietà possono essere un vantaggio per le future tecnologie elettroniche. I futuri sistemi 3DTDS possono anche fungere da piattaforma ideale per applicazioni in spintronica.
