Fizycy z Princeton University dokonali zaskakującego odkrycia na powierzchni kryształu arsenu podczas badań nad topologią kwantową – zachowaniem falowym cząstek w połączeniu z matematyką geometrii. Zespół odkrył hybrydowy stan dwóch stanów kwantowych, każdy opisujący inny sposób przewodzenia prądu.

„Było to całkowicie nieoczekiwane,” mówi fizyk M. Zahid Hasan z Princeton University. „Nikt wcześniej tego nie przewidział w teorii.”

Topologia staje się coraz ważniejsza w zrozumieniu zachowania materiałów, które można opisać tylko za pomocą ich właściwości falowych, znanych jako materiały kwantowe. Zajmuje się geometrią struktur, które nie zmieniają się skutecznie, gdy są gięte lub zniekształcone (choć mogą, jeśli zostaną zerwane lub przebite), topologia ma potencjał do wpływania na aktywność kwantową materiałów na różne sposoby.

Badania te często dotyczą związków na bazie bizmutu, ponieważ bizmut jest skutecznym izolatorem topologicznym – materiałem, którego zewnętrzna warstwa działa jako przewodnik aktywności, a wnętrze jako izolator. Oznacza to, że elektrony wewnątrz są nieruchome, ale te na powierzchni i krawędziach mogą swobodnie się poruszać.

Arsen, który jest powszechnie stosowany w materiałach półprzewodnikowych, również może zachowywać się jak izolator topologiczny. Fizycy, w tym Hasan i jego zespół, szukali nowych stanów kwantowych w izolatorach topologicznych, zwłaszcza tych, które mogą działać w temperaturze pokojowej.

Materiały na bazie bizmutu dostarczyły wielu wglądów, ale wymagają wysokich temperatur i są skomplikowane w syntezie i przygotowaniu. W przeciwieństwie do nich, arsen można wyhodować w formie czystszej niż bizmut i jest prostszy w przygotowaniu. Dlatego badacze wyhodowali kryształy szarego arsenu, który ma metaliczny wygląd, i zastosowali pola magnetyczne.

Następnie zbadał próbkę za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej (STM), która produkuje obrazy w skalach subatomowych, i spektroskopii fotoemisyjnej, która mierzyła stany energetyczne elektronów.

Znaleźli stany powierzchniowe – stany elektronów, które płyną wzdłuż „bezszczelinowych” powierzchni niektórych rodzajów izolatorów topologicznych – co było normalne. Jednak nikt się nie spodziewał tego, co jeszcze znaleźli – stanów krawędziowych, które istnieją na granicach zupełnie innego rodzaju izolatora topologicznego, i które nigdy wcześniej nie były widziane obok stanów powierzchniowych.

„To odkrycie może otworzyć nowy rodzaj materiałów kwantowych, co z kolei może posunąć do przodu badania nad fizyką kwantową, a także technologie takie jak komputery kwantowe,” mówi Hasan.

„Przed nami nowa ekscytująca granica w nauce o materiałach i nowej fizyce!”

Źródło: Science Alert