物理学者はトポロジカル絶縁体の新しいタイプの相転移を発見しました

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ビデオ: 【学部生向け】トポロジーと物理〜トポロジカル絶縁体とK理論〜 2022, 12月
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Anonim
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異なるビスマス含有量での混合鉛とセレン化スズのゾーン構造:0〜2.2パーセント

トポロジカル絶縁体の結晶構造をドープすることにより、異なるタイプのトポロジカル保護を備えた2つの相間の相転移を開始することができます。物理学者の国際的なグループは、混合鉛とセレン化スズの半導体膜にビスマス原子をドープすることによってそのような効果を発見しました。 NatureCommunicationsに掲載された作品。

電子が結晶性材料内の磁場と相互作用するとき、それらのエネルギー状態はランダウ準位の充填の観点から説明することができます。あるレベルが完全に満たされ、次のレベルがまだ満たされ始めていない場合、物質はトポロジカル絶縁体(誘電体)の特性を獲得できます。誘電体では、表面に導電層が形成されます。さらに、そのような状態はトポロジー的に保護されており、エネルギー構造を完全に破壊しなければ、それを変えることは不可能です。トポロジカル絶縁体とトポロジカル保護について詳しくは、こちらの資料をご覧ください。

彼らの新しい研究では、科学者たちはトポロジカル絶縁体Pb1-xSnxSeの薄層にビスマスをドープする際に発生するプロセスを研究しました。外部条件とビスマス濃度に応じて、このような材料は3つの異なる誘電相によって特徴付けられることが判明しました。単純な誘電体と、異なるタイプのトポロジカル保護を備えたトポロジカル絶縁体の2つの相です。

このような材料のエネルギー状態は、通常、電子エネルギーの運動量への依存性として表され、いわゆるディラックコーンの形でバンド構造を形成します。トポロジカル絶縁体の相の種類は、ディラックコーンの数によって異なります。それらの数が奇数の場合、強力なトポロジー保護を備えたフェーズが形成されます。それらの数が偶数の場合、材料は単純な誘電体または非常に弱いトポロジカル絶縁体になるは​​ずです。ただし、一部の材料では、結晶の対称性がトポロジカル保護につながり、結晶保護を備えたトポロジカル絶縁体を形成する場合があります。

科学者は、物質中の混合Pb1-xSnxSeセレン化物中のスズの比率が変化し、形状が角度分解能の光電子分光法を使用して研究されたときに、単純な誘電体から結晶保護を備えたトポロジカル絶縁体への遷移を観察することができました。形成されたディラックコーンの形状を調べることができます。

ビスマス原子を構造に加えると、結晶保護が弱いトポロジカル絶縁体の状態からトポロジカル保護が強い状態への相転移を開始できることがわかった。

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(a-c)3つの可能なフェーズのディラックコーンの概略図:単純なアイソレーターとさまざまなタイプのトポロジー保護を備えたトポロジーアイソレーター。 (d)混合鉛およびセレン化スズのトポロジカル相とビスマスの濃度および温度の状態図

温度とビスマスの含有量に応じて、ディラックコーンの数が変化し、それに応じて物質のトポロジー相が変化することが判明しました。したがって、低温および低ビスマス含有量では、フィルムは結晶性のトポロジー的保護を有する。ビスマス含有量が0.5%を超えると、その物質は強力なトポロジカル保護を備えたトポロジカル絶縁体になります。また、温度が上昇すると、材料はトポロジカル絶縁体の特性を失い、単純な誘電体になります。

科学者は、結晶構造の歪みと結晶内部の局所電場によってこの効果を説明しています。興味深いことに、トポロジー保護のある相の1つは強誘電体であり、外部電界がない場合でも自発分極の領域が発生する可能性があります。

科学者によると、彼らの発見はトポロジカル絶縁体の状態図を大幅に拡大することを可能にし、結晶構造または外部電場を歪めることによってそれらの特性を切り替える方法を提供します。

トポロジカル絶縁体の化学組成を変えることにより、他の相転移を観察することができます。たとえば、セレン化ビスマスにストロンチウムをドープすることにより、トポロジカル絶縁体を超伝導体に変えることができます。また、トポロジカル絶縁体を強磁性体と組み合わせると、そのようなシステムを使用してスピン渦を制御できます。

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