Fysikere forutsier tidligere usynlige fenomener i eksotiske materialer

Quantum Jumping Time Travel and the Nature of Linear Time (Kan 2019).

Anonim

Oppdaget for bare fem år siden, er topologiske semimetaler materialer med uvanlige fysiske egenskaper som kan gjøre dem nyttige for fremtidig elektronikk.

I det siste utgaven av Nature Physics rapporterer MIT-forskere en ny teoretisk karakterisering av de elektriske egenskapene i topologiske semimetaler som nøyaktig beskriver alle kjente topologiske semimetaler og forutsier flere nye.

Forskerne beskriver også den kjemiske formelen og krystallstrukturen til et nytt topologisk semimetall, som de burde ha, vise elektriske egenskaper som aldri sett før.

"Generelt er egenskapene til et materiale følsomme for mange eksterne forstyrrelser, " sier Liang Fu, en assisterende professor i fysikk ved MIT og seniorforfatter på det nye papiret. "Det som er spesielt med disse topologiske materialene er at de har noen svært robuste egenskaper som er ufølsomme for disse forstyrrelsene. Det er attraktivt fordi det gjør teorien svært kraftig når det gjelder å forutsi materialer, noe som er sjeldent i kondensert fysikk. Her vet vi hvordan man destillerer eller trekk ut de mest essensielle egenskapene, disse topologiske egenskapene, så våre metoder kan være omtrentlige, men resultatene våre vil være nøyaktige. "

Semimetaler er noe som halvledere, som er kjernen i all moderne elektronikk. Elektroner i en halvleder kan være i enten "valensbåndet", der de er festet til bestemte atomer, eller "ledningsbåndet", der de er fri til å strømme gjennom materialet som en elektrisk strøm. Bytte mellom ledende og ikke-ledende tilstander er det som gjør det mulig for halvledere å instansere logikken i binær beregning.

Dumping av en elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet krever energi, og energidifferansen mellom de to bandene er kjent som "bandgapet". I en semimetall som de mye studerte karbonarkene som er kjent som grafen, er båndgapet null. I prinsippet betyr det at semimetall transistorer kan bytte raskere, ved lavere krefter enn halvledertransistorer gjør.

Parkeringsgarasje grafer

Begrepet "topologisk" er litt mer skrå. Topologi er en gren av matematikk som behandler geometri på et høyt nivå av abstraksjon. Topologisk er ethvert objekt med ett hull i det - en kaffekopp, en doughnut, en hageslange - tilsvarer alle andre. Men ingen mengde deformasjon kan slå en doughnut inn i en gjenstand med to hull, eller ingen, så tohullede og ikke-holede gjenstander utgjør deres egne topologiske klasser.

I et topologisk semimetal beskriver "topologisk" ikke geometrien til selve materialet; Det beskriver grafen for forholdet mellom energi og momentum av elektroner i materialets overflate. Fysiske forstyrrelser av materialet kan koble den grafen, i samme forstand at en doughnut kan forvrenges i en hageslange, men materialets elektriske egenskaper forblir de samme. Det betyr hva Fu betyr når han sier: "Våre metoder kan være omtrentlige, men resultatene våre vil være nøyaktige."

Fu og hans kolleger - fellesforfattere Chen Fang og Ling Lu, begge av dem var MIT postdocs og nå er lektorer ved Institutt for fysikk i Beijing; og Junwei Liu, en postdoc ved MITs materialbehandlingssenter, viste at forholdet mellom momentum og energi av elektroner i overflaten av en topologisk halvdel kan beskrives ved hjelp av matematiske konstruksjoner kalt Riemann-overflater.

Mye brukt i grenen av matte kjent som kompleks analyse, som omhandler funksjoner som involverer kvadratroten på -1, eller jeg, er Riemann-overflater grafer som har en tendens til å se ut som flate fly vridd i spiraler.

"Det som gjør en Riemann-overflate spesiell er at det er som en parkeringsgarasjeprøve, " sier Fu. "I et parkeringshus, hvis du går rundt i en sirkel, ender du opp en etasje opp eller en etasje ned. Dette er akkurat hva som skjer for overflatestater av topologiske semimetaler. Hvis du beveger deg rundt i momentum, finner du at energi øker, så det er denne viklingen. "

Forskerne viste at en bestemt klasse Riemann-overflater nøyaktig beskrev momentum-energi forholdet i kjente topologiske semimetaler. Men klassen inneholdt også overflater som korresponderte med elektriske egenskaper som ikke tidligere var sett i naturen.

Veikryss

Momentum-energigraven for elektroner i overflaten av et topologisk halvmåne er tredimensjonalt: to dimensjoner for momentum, en dimensjon for energi. Hvis du tar et todimensjonalt tverrsnitt av graf-ekvivalenten til å holde energikonstanten, får du alt mulig øyeblikk som elektroner kan ha på den energien. Grafen av disse momenta består av kurver, kjent som Fermi-buer.

Forskernes modell spådde topologiske semimetaler der enden av to Fermi-buer ville gå sammen i en vinkel eller krysse hverandre på en måte som tidligere var usett. Gjennom en kombinasjon av intuisjon og simulering identifiserte Fang og Liu et materiale - en kombinasjon av strontium, indium, kalsium og oksygen - som ifølge deres teori burde vise slike eksotiske Fermi-buer.

Hva bruker, hvis noen, disse Fermi-buene kan ha, er ikke klart. Men topografiske semimetaler har slike tantaliske elektriske egenskaper som de er verdt å forstå bedre.

Av hans gruppes nye arbeid anerkjenner Fu imidlertid at for ham, "appellen er dens matematiske skjønnhet - og det faktum at denne matematiske skjønnheten finnes i ekte materialer."

menu
menu