Topologiske materialer blir byttebare

En smultring er ikke en frokostrull. Dette er to veldig tydelig gjenstander: Den ene har et hull, den andre ikke. I matematikk sies de to formene å være topologisk forskjellige – du kan ikke transformere den ene til den andre ved små, kontinuerlige deformasjoner. Derfor er forskjellen mellom dem robust mot forstyrrelser: Selv om du elter og bøyer bollen ser den fortsatt ikke ut som en smultring.

Slike topologiske egenskaper spiller også en viktig rolle i materialvitenskap, om enn på en noe mer abstrakt måte. Hvis en materialegenskap kan forklares topologisk, så er den også robust overfor forstyrrelser: En endring i miljøforholdene gjør at den ikke forsvinner. Nå har et forskerteam for første gang lykkes med å spesifikt bytte om en slik topologisk egenskap: Visse materielle tilstander er stabile mot forstyrrelser i et bredt spekter av parametere, men ved et visst magnetfelt kan de slås helt av. Dette gjør topologiske materialegenskaper manipulerbare for første gang.

Geometri i abstrakte rom

I fysikk har “topologiske egenskaper” til et materiale ingenting å gjøre med dets geometriske form – det handler ikke om krystallprøver som er smultringformede eller sfæriske. Snarere refererer begrepet “topologiske egenskaper” til den komplekse interaksjonen mellom de mange elektronene i materialet.

Denne interaksjonen kan representeres matematisk på veldig spesifikke måter. Det er ofte nyttig å ikke tenke på elektronenes posisjon, men heller på deres momentum – eller med andre ord: på deres posisjon i et abstrakt «momentum-rom». I slike matematiske rom kan visse egenskaper ved materialet studeres, som kan skilles fra hverandre i henhold til topologiske kriterier – i likhet med smultring og bolle.

“Å finne slike topologiske egenskaper er en spennende ting i seg selv; i 2016 ble Nobelprisen i fysikk delt ut for oppdagelsene av slike stater,” sier prof. Silke Bühler-Paschen fra Institute of Solid State Physics ved TU Wien. “Men vi har nå vært i stand til å vise noe helt nytt: vi har lykkes for første gang i å manipulere og til og med slå av slike topologiske tilstander.”

Ekstreme topologiske effekter på langsomme ladningsbærere

Et spesielt materiale laget av cerium, vismut og palladium ble brukt til dette formålet. Bühler-Paschens forskningsgruppe hadde allerede gjort flere spektakulære funn tidligere år ved å bruke dette materialet. For eksempel var de i stand til å demonstrere eksotisk topologisk oppførsel i dette materialet ved nøyaktig å måle dets elektriske eller termiske egenskaper.

Denne oppførselen skyldes det faktum at den elektriske ladningen i dette materialet beveger seg på en særegen måte. I et vanlig elektrisk ledende materiale flyter strømmen ganske enkelt ved at individuelle elektroner beveger seg gjennom materialet. I dette spesielle materialet er det imidlertid annerledes.

Samspillet mellom mange ladningsbærere skaper helt spesielle «kvasipartikler» her — en kollektiv eksitasjon av ladningsbærerne som kan forplante seg gjennom materialet, på lik linje med hvordan lyd kan forplante seg gjennom luft som en tetthetsbølge uten at individuelle luftpartikler trenger å bevege seg fra lyden. kilde til lydmottakeren.

Disse eksitasjonene beveger seg veldig sakte i dette materialet. På en måte kommer de ikke så godt forbi hverandre. Og dette fører til at de topologiske egenskapene til materialet i momentumrom har spesielt sterke konsekvenser i dette tilfellet.

Slå av topologiske egenskaper

“Våre målinger viser at disse elektriske og termiske egenskapene virkelig er robuste, slik man kan forvente av topologiske materialegenskaper,” sier Bühler-Paschen. Små urenheter eller ytre forstyrrelser medfører ingen dramatisk endring. “Men overraskende fant vi ut: med en eksternt magnetfelt, kan du kontrollere disse topologiske egenskapene. Du kan til og med få dem til å forsvinne helt på et visst tidspunkt. Så vi har stabile, robuste egenskaper som du selektivt kan slå på og av.”

Denne kontrollen er muliggjort av den interne strukturen til eksitasjonene, som er ansvarlige for ladningstransport: De bærer ikke bare elektrisk ladningmen også en magnetisk moment—og dette gjør det mulig å bytte dem gjennom et magnetfelt.

“Hvis du bruker en stadig sterkere ytre magnetfeltkan du forestille deg at disse ladningsbærerne blir presset nærmere og nærmere hverandre til de møtes og utsletter hverandre – på samme måte som en materiepartikkel og en antimateriepartikkel hvis du lar dem kollidere, sier Silke Bühler-Paschen.

Søk over hele verden etter spennende applikasjoner

Eksperimentene ble utført ved TU Wien (Wien), men for noen tilleggsmålinger var teamet i stand til å bruke høyfeltslaboratorier i Nijmegen (Nederland) og ved Los Alamos National Laboratory (USA). Teoretisk støtte ble gitt av Rice University (US).

“Denne nyoppdagede kontrollerbarheten gjør de topologiske materialene som allerede har tiltrukket seg så mye oppmerksomhet i fysikk enda mer interessante,” er Silke Bühler-Paschen overbevist.

Muligens kan de koblingsbare topologiske tilstandene brukes til sensor- eller svitsjeteknologi. Det er nettopp fordi eksitasjonene i materialet er så langsomme og derfor har svært lav energi at de er spesielt interessante: eksitasjonene kobles til stråling i mikrobølgeområdet, noe som er spesielt viktig for mange tekniske bruksområder. Helt nye, mer eksotiske applikasjoner innen elektronikk, inkludert kvantedatamaskiner, kan også tenkes.

Forskningen ble publisert i Naturkommunikasjon.

---

---