科学家发现新的不对称拓扑绝缘体

在非对称拓扑绝缘体BiteC1的图中，底表面包含过量的电子，而顶表面具有过量的带正电的“孔”。它们遇到的边缘形成自然的P-N结，实现新颖的设备应用。图中下面的图像，采用ARPES技术拍摄，揭示顶部（左）和底部（右）表面中电子的能量和动量的显着差异。改编自Y.L.陈等人，自然物理学

一组科学家们发现了一种由许多层组成的新的非对称拓扑绝缘体，这使得电流能够沿其顶表面不同地流动而不是沿其底部不同。

在斯坦福斯坦福斯坦福德，牛津，伯克利实验室和东京工作的科学家发现了一种新型的量子材料，这些量子材料的不平衡行为可能为创造新的电子产品而借出。

该材料称为碲化硅氧烷或比特卡尔。它属于一类称为拓扑绝缘体的材料，可以在其表面上具有完美效率的电流，但不是通过它们的中间。研究人员希望利用他们不寻常的属性来创建使用电子的旋转而不是仅收费的“闪光”设备，以携带100％效率和室温的能量和信息。

在10月6日报告的自然物理中，由牛津大学的玉林陈领导的团队发现了一种由许多比特卡尔制成的材料，并表明它在一个重要方面缺乏对称性：电流沿其顶表面不同地流动而不是沿其底部。

Chen表示，科学家们希望在新颖的室温器件中使用这种非对称的拓扑绝缘体，他是SLAC时的员工科学家。虽然这种实际目标仍然很远，但他说，这是前进的重要一步。

在传统的电子芯片中，两种类型的半导体材料聚集在一起形成晶体管和二极管。n型半导体具有过量的电子，并且具有高导电。P型材料是电子耗尽的，留下带正电的“孔”，其中电子常用。在这两种类型的材料在“P-N结”中相遇的情况下，“电子以稳健的单向电流从N流到P层。

大多数拓扑绝缘体在顶部和底部表面上以p型或n型材料运行。但Bitecl在其顶部表面上的不对称性：p型和底部的n型。这意味着材料的边缘可以用作P-n结 - 或甚至在彼此顶部层叠的许多微观P-N结。更好的是，当材料放置在磁场中时，这些P-n结的开发了可以通过零阻力进行电力的独特边缘通道，陈表示 - 这打开了各种各样的可能性。

此外，这种独特的材料类型可以展示许多其他现象。例如，将其放入静电场中可以诱导材料中有用的磁性，称为拓扑磁效应的现象，首先由斯坦福材料和能源科学研究所和他的团队的理论张Zhang预测。您甚至可以使用电荷来诱导磁垄断磁性垄断 - 刚刚杆，北或南方的理论磁体，而不是通常的两个 - 然后使用这种异国情调的磁力状态进行实际工作，例如在硬盘上存储信息陈说。“这是非常奇怪的，”他说，“因为人们从未发现磁垄断作为基本颗粒。”

要做到这一点，理论家说，这些材料必须违反两个基本的对称性：在本研究中被Bitecl侵犯的那个，这被称为反演对称性和时间反转对称，这表示一个过程应该向前或向后看起来相同及时。陈说，曾经打破两个对称性的对称性;例如，它需要垂直地施加磁场，而是沿薄膜的顶部和底部的相反方向施加。但现在科学家制造了一个破坏第一个对称性的材料，打破第二个是直接的。

对于这项研究，东京技术研究所的科学家从许多交替层的铋，碲和氯都制成比特。它在斯坦福大学实验室和两个X射线光源 - Slac的斯坦福Synchrotron辐射源和劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源。

研究人员用X射线束用X射线束命中材料的样品，然后使用称为ARPE的技术来测量光束从材料中踢出的电子的能量和动量。这给了他们清晰的材料电子状态的画面。

“发现这一新的不对称拓扑绝缘体的发现将引入我们正在寻找的许多新现象，并为设备应用提供可能性，”斯坦福研究生中嘉刘参加了实验。

陈说，下一步是净化和改善材料，制造高质量的薄膜，试图生产和研究拓扑磁效应。

研究团队还包括斯坦福斯坦福斯坦福斯坦福斯坦教授志勋沉;伯德·侯赛因，伯克利实验室的高级职员科学家;和其他研究人员来自Slac，Stanford，Berkeley Lab和Tokyo技术学院。该研究部分由美国能源部基本能源科学部提供资金。

出版物：Y. L. Chen，等，“发现在强倒反对不对称复合Bitecl中的单个拓扑狄拉克码头，”自然物理9,704-708（2013）; DOI：10.1038 / NPHYS2768

图像：改编自Y.L.陈等人，自然物理学