新的量子效应使电子快速流动通过拓扑绝缘体内部

普林斯顿大学研究人员发现了一种新的量子效应

普林斯顿大学(Princeton University)的科学家们已经证明,由于拓扑狄拉克半金属(topological Dirac semi-metal)材料中的量子行为,被称为电子的负电荷粒子可以极其迅速地流动。该研究小组之前的工作表明,这些电子可以在某些材料的表面流动,但新的研究表明,它们也可以通过材料的大部分,在这个例子中是砷化镉。使用一种叫做角度分辨光电发射光谱的技术(左),研究人员测量了电子从砷化镉中喷射出来时的能量和动量。由此得到的数据显示,每个电子都是两个相对方向的锥状物,聚合在一点上,这是量子行为的一个迹象,电子的行为就像没有质量的光。三维重建(右图)显示,锥形电子能够在材料中向各个方向移动。右上方的面板显示,这些电子是相互连接的,即使在弯曲或拉伸变形时,它们也可以移动,这一属性赋予了它们拓扑性质。(图片由Zahid Hasan和Suyang Xu提供)

研究人员普林斯顿大学我们在一类新材料的开发上迈出了一步,发现了一种新的量子效应,使电子能够以极小的电阻冲破拓扑狄拉克半金属的内部。

随着智能手机越来越智能,电脑计算速度越来越快,研究人员积极寻找加快信息处理速度的方法。现在,普林斯顿大学的科学家们在开发一种可用于未来技术的新型材料方面又向前迈进了一步。

他们发现了一种新的量子效应,使电子——携带负电荷的粒子使今天的电子设备成为可能——能够以很小的电阻冲破这些材料的内部。

这一发现是一种被称为“拓扑绝缘体”的奇特材料故事的最新一章,在这种材料中,电子沿着表面旋转而不穿透内部。最新研究表明,这些电子也可以流过其中一些材料的内部。

领导这项发现的普林斯顿大学物理学教授M.Zahid Hasan说:“有了这项发现,我们不再面临如何仅使用材料表面的电子的挑战,现在只需将材料切开,材料内部就会有像光一样的三维电子流动。”。

这一发现是由来自美国、台湾、新加坡、德国和瑞典的科学家组成的团队进行的,并发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志的两篇论文中。第一篇论文发表于5月7日,证明了快速电子可以在由镉和砷,或砷化镉组成的晶体内部流动。第二篇论文发表于5月12日在一种由铋和硒元素组成的材料中探索快速电子。

在大多数材料中,包括铜和其他导电金属,电子通过微观露头、壁架和其他缺陷的障碍路径,阻碍微小颗粒并使其向错误方向散射。这会产生电阻,并将电流转化为热量,这就是为什么电子会电子电器在使用过程中会变热。

在拓扑绝缘体和普林斯顿大学的研究人员所研究的新型材料中,原子的独特特性结合在一起,创造出量子效应,诱导电子像光波一样运动,而不是像单个粒子。这些波可以绕过、躲避——甚至穿过——通常会阻挡大多数电子的屏障。这些特性是由查尔斯·凯恩和宾夕法尼亚大学的一个研究小组在2005年至2007年期间从理论上提出的,哈桑研究小组在2007年和2008年首次在固体材料中通过实验观察到。

2011年,哈桑研究小组在一种由铋、铊、硫和硒等多种元素组成的材料内部检测到这种快速电子流动。研究结果发表在《科学》杂志上。

在砷化镉的新研究中,电子的平均速度是该小组之前确定的铋基材料的10000倍。“这是一件大事,”哈桑说。“这意味着电子可以很容易地在材料中流动,现在可以研究更多奇异的量子效应。这在过去是不可能的。”

这些材料最有希望的应用可能是一种基于新型电子学的“拓扑量子计算机”,该计算机将利用电子的“自旋”特性来进行计算和传输信息。

这类新材料中的量子行为使它们被称为“拓扑狄拉克半金属”,这是英国量子物理学家和1933年诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克(Paul Dirac)提到的,他指出电子的行为可以像光一样。半金属是“拓扑的”即使在受到某种拉伸和扭曲变形的情况下,也能保持其空间电子特性和快速电子。

这些电子所达到的速度可以与另一种新型电子材料进行比较,石墨烯。哈桑说,这种新型材料在某些方面有可能优于石墨烯,因为石墨烯是一层原子,其中的电子只能在二维空间流动。砷化镉允许电子在三维空间中流动。
哈桑实验室的研究生徐苏扬(Su-Yang Xu)说,这项新研究重新定义了拓扑材料的含义。徐苏扬与普林斯顿大学(Princeton)的博士后研究助理Madhab Neupane和台湾大学(National Taiwan University)的拉曼桑卡尔(Raman Sankar)共同撰写了5月7日发表的那篇论文。

“拓扑绝缘体这个术语现在非常有名,而‘绝缘体’这个术语意味着在材料的主体中没有电子流动,”徐说。他说:“我们的研究表明,电子在材料的大部分中流动,因此显然砷化镉不是绝缘体,但它在本质上仍然是拓扑的,所以这是一种全新类型的量子物质。”

研究小组利用一种称为角分辨光电子能谱(angle resolved photoemission spectroscopy)的技术进行了这一发现。研究人员利用劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)先进光源的粒子加速器,将一束非常强大的X射线照射到材料表面,然后在电子被从材料中击出时对其进行监测泰瑞尔。

Neupane说:“当电子出来时,我们测量它的能量和速度,我们发现从砷化镉中出来的电子的测量结果与在无质量粒子中看到的结果相似。”。

在《自然通讯》的第二篇论文中,Neupane和其他合著者提出了一个模型,用来控制硒化铋这种不同材料中的电子粒子的自旋方向。

“普林斯顿大学的研究小组以精确的细节表明,某些固体中的电子遵循三维无质量狄拉克方程,”麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)物理学教授帕特里克·李(Patrick Lee)说,他没有参与这项工作。“虽然是通过理论计算预测的,但这种行为直到去年才在真正的材料中出现。这项工作极大地增加了拓扑学如何影响真实材料中的电子状态这一持续的兴奋。”

第一项研究“在高迁移率Cd3As2中观察三维拓扑Dirac半金属相”发表在2014年5月7日的《自然通讯》杂志上。共同第一作者是普林斯顿大学的Madhab Neupane和Su-Yang Xu,以及国立台湾大学的Raman Sankar。普林斯顿大学的其他研究人员也对这项工作做出了贡献,包括研究生Nasser Alidoust和Ilya Belopolski,以及博士后研究员Guang Bian和Chang Liu。该团队还包括台湾国立清华大学的张泰荣;国立清华大学及台湾中央研究院郑洪泰教授;新加坡国立大学的Lin Hsin;东北大学的Arun Bansil;国立台湾大学周方成教授。

第二项研究“在超薄拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜中观察量子隧穿调制自旋结构”发表在2014年5月12日的《自然通讯》杂志上。第一作者是Madhab Neupane。普林斯顿大学的共同作者是徐苏阳、纳赛尔·阿里杜斯特、伊利亚·贝洛波斯基、刘畅和边广。团队成员还包括宾夕法尼亚州立大学的安东尼·理查德拉、张duming和尼廷·萨莫斯;赫姆霍尔兹柏林材料与能源中心的Jaime Sánchez-Barriga、Dmitry Marchenko、Oliver Rader和Andrei Varykhalov;瑞典max实验室的Mats Leandersson和Thiagarajan Balasubramanian;台湾国立清华大学张泰荣教授;国立清华大学及台湾中央研究院郑洪泰教授;新加坡国立大学的Lin Hsin;东北大学的Susmita Basak和Arun Bansil。

这两项研究的主要资金由美国能源部基础能源科学办公室提供(资助项目为DE-FG-02-05ER46200、AC03-76SF00098和DE-FG02-07ER46352)。

出版物

  • Madhab Neupane等人,“高迁移率Cd中三维拓扑Dirac半金属相的观察”3.作为2,“自然通讯5,条款编号:3786;doi: 10.1038 / ncomms4786
  • Madhab Neupane等,“超薄拓扑绝缘体Bi中量子隧穿调制自旋结构的观察23.《自然通讯》第5期,条款编号:3841;doi: 10.1038 / ncomms4841

研究报告的PDF副本

图片:M. Zahid Hasan和Suyang Xu

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