Необычные новые материалы, экспериментально обнаруженные всего несколько лет назад, теперь стимулируют исследования в области физики конденсированных сред по всему миру. Впервые теоретизированные, а затем открытые исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (Berkeley Lab) и их коллегами из других институтов, эти "прочные трехмерные топологические изоляторы" - сокращенно так - являются, казалось бы, обычными полупроводниками с поразительными свойствами.
 
Однако поверхность топологического изолятора - это не обычный металл. Направление и спин поверхностных электронов связаны друг с другом и меняются согласованно. И, возможно, самое удивительное предсказание заключается в том, что поверхностные электроны не могут рассеиваться из-за дефектов или других возмущений и, таким образом, практически не встречают сопротивления при перемещении. На жаргоне поверхностные состояния остаются "топологически защищенными" - они не могут рассеиваться, не нарушая правил квантовой механики.
 
"Один из способов, которым электроны теряют подвижность, - это рассеяние на фононах", - говорит Алексей Федоров, штатный научный сотрудник beamline 12.0.1 усовершенствованного источника света лаборатории Беркли (ALS). Фононы - это квантованная энергия колебаний кристаллических материалов, математически рассматриваемая как частицы. "Наша недавняя работа над особенно многообещающим топологическим изолятором показывает, что его поверхностные электроны вообще почти не соединяются с фононами. Таким образом, нет никаких препятствий для разработки этого TI для спинтроники и других приложений ".

Рассматриваемый TI представляет собой селенид висмута, Bi2Se3, по поверхности которого электроны могут течь при комнатной температуре, что делает его привлекательным кандидатом для практических применений, таких как устройства спинтроники, а также более отдаленных, таких как квантовые компьютеры. Большая часть исследований электрон-фононной связи в Bi2Se3 была проведена в beamline 12.0.1 командой, включающей Федорова, под руководством Тоники Валлы из Брукхейвенской национальной лаборатории. Их результаты представлены в письмах Physical Review.
 
Правильный инструмент для работы

Чтобы изучить поверхностную проводимость TI, перенос электронов на его поверхности должен быть отделен от общей проводимости, включая плохо проводящий объем. Один экспериментальный метод, называемый спектрометрией фотоэмиссии с угловым разрешением (ARPES), отлично подходит для выполнения именно этого.
 
ARPES излучает яркий свет, подобный тому, который создается усовершенствованным источником света, на образец и захватывает электроны, которые высвобождаются энергичными фотонами. Регистрируя угол и энергию этих фотоизлученных электронов на ПЗС-детекторе, ARPES постепенно создает прямую графическую визуализацию электронной структуры образца.
 
"Из нескольких линий луча ARPES в ALS, линия луча 12.0.1, по-видимому, обладает идеальным балансом энергии, разрешения и потока для исследований топологических изоляторов", - говорит Федоров. "Эта линия луча использовалась для некоторых из первых экспериментов, устанавливающих, что трехмерные TI действительно встречаются в природе, и несколько команд работали здесь, проверяя характеристики TI".
 
Фотоизлученные электроны в эксперименте ARPES непосредственно отображают такие особенности, как зонная структура материала - разность энергий, или зазор, между электронами, связанными во внешних оболочках атомов, валентная зона, и носителями заряда, которые свободно перемещаются, зона проводимости. Изоляторы имеют широкие запрещенные зоны, полупроводники - более узкие.
 
Зонная структура поверхностных состояний топологического изолятора, такого как Bi2Se3, выглядит как два конуса, которые встречаются в точке, называемой точкой Дирака. Между валентной зоной и зоной проводимости вообще нет разрыва, только плавный переход с увеличением энергии. Это похоже на ленточную структуру удивительного материала графена, единственного слоя атомов углерода, максимально тонкой поверхности. Диаграммы ARPES подобных ленточных структур выглядят как разрезы на конусах, X с центром в точке Дирака.
 
Хотя графен и топологические изоляторы имеют схожие зонные структуры, другие электронные характеристики сильно отличаются. Комбинации различных скоростей и ориентаций, эквивалентных наивысшим энергиям частиц материала (при нулевых градусах), составляют пространство импульсов, отображаемое поверхностью Ферми. В то время как поверхность Ферми графена находится между коническими полосами в точке Дирака, это не относится к TIs. Поверхность Ферми Bi2Se3 проходит высоко через коническую зону проводимости, образуя идеальный круг. Это как если бы круглая поверхность Ферми была нарисована прямо на поверхности топологического изолятора, показывая, как поверхностные электроны со спиновой блокировкой должны менять ориентацию своего спина, следуя по этому постоянно изгибающемуся пути.
 
Значения, включая электрон-фононную связь, могут быть рассчитаны на основе диаграмм, которые строит ARPES. Измерения ARPES для Bi2Se3 показывают, что сцепление остается одним из самых слабых из когда-либо зарегистрированных для любого материала, даже когда температура приближается к комнатной.

Говорит Федоров: "Хотя предстоит пройти еще долгий путь, экспериментальное подтверждение того, что электрон-фононная связь очень мала, подчеркивает практический потенциал Bi2Se3". При продолжающемся прогрессе электронные состояния топологических изоляторов с блокировкой вращения при комнатной температуре могут открыть доступ к устройствам spintronic, а также к более экзотическим возможностям.
 
Например, путем наложения слоя сверхпроводящего материала на поверхность топологического изолятора - подвиг, недавно достигнутый группой китайских ученых, работающих над beamline 12.0.1, - может оказаться возможным создать теоретическую, но пока невидимую частицу, которая является своей собственной античастицей, которая могла бы сохраняться в материале в нетронутом виде в течение длительных периодов. Открытие этих так называемых майорановских фермионов было бы достижением само по себе, а также могло бы обеспечить способ преодоления основного препятствия на пути к созданию работающего квантового компьютера, метода неограниченного хранения данных в виде "кубитов".
 
Экспериментальное исследование прочных трехмерных топологических изоляторов - это область, которой едва ли больше пяти лет, и потенциальные выгоды, как для фундаментальной, так и для прикладной науки, только начали изучаться.