Исследователи обнаружили двойные топологические фазы в собственном монослойном кристалле

Краевая проводимость QSH на CNP в монослое TaIrTe₄. Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07211-8

Двойные топологические фазы были обнаружены в собственном монослойном кристалле. Это открытие открывает новые и уникальные свойства квантового материала, нарушающие правила, сообщила недавно международная группа ученых под руководством физиков Бостонского колледжа в онлайн-версии журнала Nature.

Открытие двойного топологического изолятора открывает новый метод создания топологических плоских минизон посредством электронных взаимодействий, которые предлагают многообещающую платформу для изучения экзотических квантовых фаз и электромагнетизма, сообщила команда.

«Мы экспериментально произвели высококачественные, атомарно тонкие образцы TaIrTe₄ и разработали соответствующие электронные устройства», — сказал доцент кафедры физики Бостонского колледжа Цюн Ма, ведущий автор отчета. «Что особенно интригует, так это наше открытие не одного, а двух топологических изолирующих состояний, выходящих за рамки предсказаний теории».

По словам Ма, полученные результаты открывают новый эффект, который команда называет двойным топологическим изолятором или двойным квантовым спиновым изолятором Холла.

Исключительно тонкие двумерные слои кристаллического материала под названием TaIrTe₄, созданного из тантала, иридия и теллура, были в центре внимания группы ученых из Британской Колумбии, Массачусетского технологического института, Гарвардского университета, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Техасского университета A&M, Университета Теннесси, Наньянского технологического университета Сингапура, Китайской академии наук и Национального института материаловедения Японии.

Толщина каждого слоя составляет менее 1 нанометра — это более чем в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти слои, или «хлопья», были аккуратно отделены от более крупного кристалла с помощью простого метода с использованием прозрачной клейкой ленты — метода, отмеченного Нобелевской премией и широко используемого в материаловедении.

«Наше расследование было направлено на то, чтобы понять, как эти материалы проводят электричество», — сказал Ма. «Учитывая крошечный размер этих материалов, мы использовали передовые методы нанопроизводства, включая фотолитографию и электронно-лучевую литографию, для создания наноразмерных электрических контактов».

Ма сказал, что основная цель проекта заключалась в проверке теоретического предсказания, согласно которому тончайший слой TaIrTe₄ действует как двумерный топологический изолятор, также известный как квантовый спиновый изолятор Холла, — новый материал, внутренняя часть которого является изолирующей, а по нему течет электричество без каких-либо потерь энергии. Это уникальное сочетание делает эти материалы объектом внимания исследователей, пытающихся разработать будущие поколения энергоэффективных электронных устройств.

По словам Ма, посредством манипулирования конкретными параметрами, называемыми напряжениями на затворе, команда обнаружила переход TaIrTe₄ между двумя различными топологическими состояниями. В обоих случаях материал демонстрирует нулевую электропроводность внутри себя, в то время как его границы остаются проводящими. Путем систематических экспериментальных и теоретических исследований мы установили, что эти два топологических состояния имеют различное происхождение.

Результаты, превзошедшие теоретические предсказания, удивили учёных.

«Обычно добавление электронов в материал увеличивает его проводимость из-за большего количества носителей заряда или электричества», — сказал Ма. «Изначально наша система вела себя так, как и ожидалось, и стала более проводящей с добавлением электронов».

«Однако после определенного момента добавление большего количества электронов неожиданно снова превратило внутреннюю часть в изоляционную, с электрической проводимостью только на границах и без потерь энергии, что снова является топологической изолирующей фазой, точно так же, как в начальной точке, когда внутри нет электронов....Этот переход ко второй топологической изолирующей фазе совершенно неожидан».

Ма сказал, что будущая работа над открытием включает сотрудничество с группами, специализирующимися на других специализированных методах, таких как наноразмерные зонды для визуализации, для дальнейшего понимания неожиданного поведения.

«Мы также сосредоточимся на улучшении качества нашего материала, чтобы улучшить и без того впечатляющую бездиссипативную топологическую проводимость», — сказал Ма. «Кроме того, мы планируем создавать гетероструктуры на основе этого нового материала, чтобы раскрыть еще более интригующее физическое поведение».

Источник: Boston College