Topologi tingkat tinggi ditemukan dalam kristal 2D – Sains Terkini

Selama dekade terakhir, bidang fisika benda terkondensasi telah mengalami zaman keemasan dengan penemuan bahan dan sifat baru, dan teknologi terkait sedang dikembangkan dengan kecepatan sangat tinggi berkat kedatangan fisika topologi. Fisika topologis lepas landas pada tahun 2008 dengan ditemukannya isolator topologi, sejenis material yang secara elektrik mengisolasi dalam jumlah besar tetapi logam pada permukaan.

Sejak itu, para ilmuwan telah menemukan fase topologi yang lebih eksotis termasuk semimetal Dirac, semimetal Weyl dan isolator Axionic. Namun yang paling baru, bahan yang terisolasi dalam jumlah besar, pada permukaan dan tepi tetapi hanya logam pada engsel atau di sudut telah diprediksi secara teoritis. Bahan-bahan baru yang aneh yang disebut isolator topologi orde tinggi ini sangat langka dan hanya unsur bismut yang secara eksperimental terbukti mungkin termasuk dalam kategori ini sejauh ini.

Apa itu kondisi engsel? Bayangkan sebuah kotak – lebih panjang dan lebih lebar dari tinggi – dengan tutup di bagian atas dan bawah yang dapat Anda buka untuk meletakkan barang-barang di dalamnya. Ruang di dalam kotak akan disebut bulk. Sebagian besar bahan yang menghantarkan listrik melakukannya dalam jumlah besar. Namun, dalam isolator topologi, sebagian besar kotak isolasi elektrik tetapi bagian atas dan bawah – flap – adalah logam dan mempertahankan kondisi permukaan. Untuk beberapa bahan, sebagian besar, bagian atas dan bawah kotak isolasi tetapi sisi (tepi) adalah logam. Ini memiliki keadaan tepi yang telah ditunjukkan dalam isolator topologi magnetik. Akhirnya, dalam isolator topologi orde tinggi, bulk, top, bottom, dan sisi kotak semua isolasi tetapi engsel dan sudut kotak adalah logam dan memiliki engsel atau sudut yang berbeda. Keadaan engsel ini juga telah diprediksi ada di semimetal topologi seperti bismut. Keadaan engsel pada khususnya diharapkan menjanjikan untuk studi spintronics karena arah propagasi mereka terkait dengan putaran mereka serta untuk fermion Majorana yang secara aktif sedang diselidiki untuk aplikasi mereka pada komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan.


Sekarang tim ilmuwan internasional dari Amerika Serikat, Hong Kong, Jerman, dan Korea Selatan telah mengidentifikasi isolator topologi tingkat tinggi yang baru. Ini adalah transisi dua dimensi logam dichalcogenide (TMDC) berlapis yang disebut WTe2. Ini adalah bahan yang terkenal dalam fisika benda terkondensasi yang menampilkan berbagai sifat eksotis dari toresic magnetoresistance hingga efek ruang putaran terkuantisasi. Itu adalah contoh pertama dari semimetal Weyl Tipe-II yang dapat dibuat menjadi perangkat yang hanya memiliki satu lapisan dan dapat dieksfoliasi seperti graphene. WTe2 juga menunjukkan superkonduktor di bawah tekanan yang berarti elektron membentuk pasangan dan arus super melewatinya tanpa hambatan.

Menambah karnaval properti ini, fisikawan teoretis pada 2019 membayangkan WTe2 dan saudaranya material MoTe2 menjadi isolator topologi orde tinggi dengan keadaan engsel logam. Banyak tim peneliti di seluruh dunia sejak itu mencari bukti dari keadaan eksotis ini di WTe2 dan MoTe2 dan beberapa hasil baru-baru ini menunjukkan bahwa ada keadaan konduktif tambahan di tepinya. Tetapi para peneliti tidak dapat mengidentifikasi apakah ini benar-benar negara tepi atau negara engsel yang sangat dicari.

Dalam sebuah penelitian yang dipublikasikan di Bahan Alam pada 6 Juli 2020, tim yang dipimpin oleh Kin Chung Fong (Teknologi Raytheon BBN), Mazhar N. Ali (Institut Max Plank Fisika Mikro dan juga Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong) dan Gil-Ho Lee (Universitas Sains dan Teknologi Pohang, dan Pusat Fisika Teoritis Asia Pasifik) mengambil pendekatan baru dengan menggunakan persimpangan Josephson untuk secara spasial menyelesaikan arus supercurrent dan untuk menunjukkan bahwa WTe2 memang tampaknya memiliki negara-negara yang bergantung dan menjadi isolator topologi tingkat tinggi (Tautan ke kertas).

Persimpangan Josephson adalah perangkat dan alat yang sangat penting dalam fisika. Mereka digunakan dalam berbagai aplikasi teknologi termasuk mesin magnetic resonance imaging (MRI) serta dalam qubit, yang merupakan blok bangunan komputer kuantum. Persimpangan ini terbentuk ketika dua elektroda superkonduktor seperti niobium (Nb) dihubungkan oleh jembatan non-superkonduktor seperti WTe2 berkualitas tinggi dalam perangkat film tipis. Ketika suhu diturunkan cukup, arus super yang disuntikkan dari satu elektroda Nb dapat berjalan melintasi jembatan tanpa perlawanan terhadap elektroda Nb lainnya. Oleh karena itu keseluruhan perangkat menunjukkan nol perlawanan dan dikatakan superkonduktor.

Namun, tidak ada jumlah arus super yang tak terbatas dapat dikirim melintasi jembatan sambil mempertahankan superkonduktivitas. Ketika arus yang disuntikkan melebihi arus kritis, persimpangan berubah menjadi keadaan normal dan menunjukkan resistensi yang terbatas. Efek Josephson menyatakan bahwa sebagai fungsi dari medan magnet yang diterapkan, arus kritis akan berosilasi dalam pola Fraunhofer antara nilai tinggi dan rendah karena fase perubahan fungsi gelombang superkonduktor di sampel.

Tim menyadari bahwa yang tersembunyi dalam osilasi ini adalah informasi lokasi arus super saat ia bergerak dalam sampel. Dengan mengambil transformasi Fourier terbalik dari pola Fraunhofer, para peneliti dapat memvisualisasikan aliran arus super dalam sampel dan menemukan bahwa itu memang bergerak di sisi perangkat WTe2. Namun, ini tidak cukup untuk membedakan kondisi tepi dari kondisi engsel.


Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini, karena kekhasan dalam asal berbasis simetri dari negara engsel, tidak semua engsel identik pada sampel WTe2. Misalnya, ada keadaan engsel logam di kiri atas dan kanan bawah bergantung pada sampel tetapi tidak di kanan atas atau kiri bawah. Ini berbeda dari keadaan tepi, yang hanya akan ada pada keseluruhan sisi kiri dan kanan sampel. Mengenai ini, Kin Chung Fong dari Raytheon BBN Technologies menjelaskan, "Kami menggunakan perbedaan ini untuk keuntungan kami. Dengan menghubungkan elektroda superkonduktor hanya pada bagian atas sampel dan bukan pada bagian bawah, kami menyadari bahwa kami akan melihat pola Fraunhofer yang berbeda jika bergantung. negara ada dan bukan negara ujung. " Dia lebih lanjut berkomentar, "Dalam konfigurasi ini, elektroda akan terhubung hanya ke salah satu negara engsel (yaitu kiri atas dan bukan kanan bawah), yang akan menunjukkan pola Fraunhofer yang berbeda. Jika ada keadaan tepi, konfigurasi ini tidak akan ada berbeda dari menghubungkan ke bagian bawah dan atas sampel dan Fraunhofer akan terlihat sama. " Ketika mereka melakukan eksperimen yang menantang ini, mereka mengamati ciri khas kondisi engsel, bukan kondisi tepi.

"Tapi bukan itu saja. WTe2 adalah material ortorombik dengan simetri cukup rendah dengan anisotropi kristalin tinggi. Arah yang berbeda dalam kristal tidak sama dan kami juga berteori dan mengkonfirmasi bahwa kondisi engsel yang ada di WTe2 tidak semuanya sama. beberapa arah, mereka bercampur menjadi sebagian besar sedangkan ke arah lain tidak, "jelas Kam Tuen Law di Universitas Sains dan Teknologi Hong Kong.

"Ada berbagai fisika menarik untuk dieksplorasi dalam senyawa ini dalam waktu dekat sekarang karena negara-negara engsel telah ditemukan di WTe2," kata Gil Ho Lee dari Universitas Sains dan Teknologi Pohang. Dia menambahkan, "Kemungkinan interkoneksi tanpa disipasi, kabel superkonduktor 1D yang benar dan perangkat spintronik, superkonduktivitas topologi, fermion Majorana dan komputer kuantum yang sesuai topologi semuanya ada di cakrawala."

Mazhar N. Ali di Max Plank Institute of Microstructure Physics menjelaskan, "WTe2 mungkin merupakan materi kedua yang ditampilkan untuk menampung negara-negara engsel, tetapi sangat berbeda dari kandidat lainnya, bismut. Menjadi 2D, WTe2 mudah dibuat menjadi perangkat nano. dengan permukaan yang terkontrol, dan dapat dilapis di atas bahan 2D lainnya dalam struktur heterostruktur dan bahkan di atasnya sendiri ketika sedikit dipelintir untuk membentuk superlattice Moire. " Dia menambahkan, "Material saudara nya MoTe2 diharapkan untuk menunjukkan keadaan engsel yang sama tetapi itu adalah superkonduktor intrinsik pada suhu rendah." Dia bertanya dengan penuh semangat, "Bagaimana kondisi engsel ini dimodifikasi, dikendalikan, dan digunakan? Ada banyak peluang penelitian yang menarik di depan."

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.