A condução elétrica na superfície do isolador topológico de iodeto de bismuto (setas rosa e verde) transita dos lados 2D (esquerda) para as bordas 1D desses lados (direita) quando o material é resfriado a uma temperatura crítica em torno de 80 graus Fahrenheit. Crédito:Jianwei Huang / Rice University
Uma equipe da Rice University e seus colaboradores descobriram uma transição de temperatura ambiente entre os estados de condução elétrica 1D e 2D em cristais topológicos de bismuto e iodo.
Os pesquisadores descobriram que podiam alternar o material, cadeias cristalinas de iodeto de bismuto (Bi 4 eu 4 ), entre os estados de condução de ordem baixa e alta em uma temperatura de transição em torno de 80 graus Fahrenheit. A pesquisa está disponível online esta semana no jornal American Physical Society. Revisão Física X e foi conduzido por físicos de Rice; a Universidade do Texas em Dallas; a Universidade da Califórnia, Berkeley; Universidade Estadual de Ohio; e outras instituições.
Bi 4 eu 4 é um isolante topológico, um material que é condutor em sua superfície ou bordas, mas não em seu interior. A estrutura cristalina de Bi 4 eu 4 sofre uma mudança sutil na temperatura de transição. A mudança muda o comportamento eletrônico do material, e o estudo mostrou essa mudança, ou "transição de fase, "é a fronteira entre os estados de condução topológica 1D e 2D.
O estado 2D de alta temperatura apresenta condução elétrica em torno de quatro lados dos cristais retangulares. Os físicos do arroz Ming Yi, Jianwei Huang e seus colaboradores descobriram a transição da condução para bordas 1D quando o material foi resfriado abaixo de 80 graus.
"Esta é a primeira evidência sugerindo que o estado de baixa temperatura é na verdade um isolante topológico de ordem superior, onde a condução está acontecendo nas dobradiças de cristal em oposição às superfícies, "disse Yi, professor assistente de física e astronomia e autor co-correspondente do estudo PRX. "Imagine começar no estado de alta temperatura, onde você tem uma massa isolante e superfícies de condução ao redor das laterais do material. Assim que você passar por essa distorção estrutural, a condução está confinada às dobradiças unidimensionais onde esses lados se encontram. "
Os físicos da Rice University (sentido horário da esquerda) Yichen Zhang, Ruohan Wang, Yucheng Guo, Jianwei Huang, Han Wu e Ming Yi são membros de uma equipe liderada por Rice que descobriu uma transição à temperatura ambiente entre os estados de condução elétrica 1D e 2D em cristais topológicos de bismuto e iodo. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Na maioria dos materiais, as diferenças entre as fases - como gelo sólido ou água líquida - surgem de diferentes simetrias organizacionais de suas partes constituintes. Nos anos 1980, os físicos descobriram fases da matéria com simetrias idênticas. Eventualmente, mostrou-se que surgiam de propriedades topológicas, estados quânticos "protegidos" que são de interesse crescente para a computação quântica.
Yi disse que a mudança dimensional na condução elétrica mediada por Bi 4 eu 4 A transição de fase pode ser usada para projetar uma chave elétrica operada pela mudança de temperatura.
“Essa transição acontece em temperatura ambiente, "Yi disse." É uma transição de fase de primeira ordem, o que significa que a mudança acontece muito repentinamente. É uma pequena mudança na estrutura do cristal que impacta diretamente a condução elétrica nos limites do cristal. "
Huang, um associado de pesquisa de pós-doutorado da Rice e o principal autor do estudo, disse que laboratórios em todo o mundo estão correndo para encontrar e catalogar materiais topológicos, e os físicos só recentemente começaram a classificá-los em subfamílias.
While Bi 4 eu 4 a combinação de propriedades de é única, Huang disse que a descoberta desta semana pode ajudar na busca por materiais topológicos semelhantes.
A condução elétrica na superfície de cristais retangulares do isolador topológico de iodeto de bismuto (Bi4I4) é representada por setas rosa e verdes. Os físicos da Rice University descobriram transições de condução de uma superfície 2D em quatro lados dos cristais (canto superior direito) para bordas 1D desses lados (canto superior esquerdo) devido a uma mudança sutil na estrutura cristalina do material (parte inferior, direita para a esquerda) quando o material é resfriado a uma temperatura crítica em torno de 80 graus Fahrenheit. Crédito:Jianwei Huang / Rice University
"Nossas descobertas são consistentes com as previsões teóricas recentes de isoladores topológicos de ordem superior que estão além do escopo dos bancos de dados de materiais topológicos estabelecidos, " ele disse.
O laboratório de Yi e os colaboradores do laboratório da UC Berkeley co-autor correspondente, Robert Birgeneau, usaram uma técnica experimental chamada espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) para mapear Bi 4 eu 4 características da banda eletrônica.
"ARPES é a melhor sonda para observar materiais topológicos porque há uma assinatura muito distinta que dirá se os materiais são topológicos ou não, " ela disse.
Para distinguir entre os estados de condução 1D e 2D, sua equipe teve que "olhar para superfícies diferentes, e isso é extremamente difícil de fazer, "Yi disse.
Yi disse que contribuições críticas vieram dos autores co-correspondentes do UT Dallas, Fan Zhang, que forneceu orientação teórica e previsão, e Bing Lv, cujo laboratório sintetizou Bi 4 eu 4 cristais que tinham até um centímetro de comprimento, um milímetro de largura e centenas de mícrons de espessura. O tamanho dos cristais permitiu a Huang fazer medições ARPES cruciais tanto no topo quanto nas laterais dos materiais.
