新量子效应使电子快速流经拓扑绝缘体的内部

普林斯顿研究人员发现了一种新的量子效应

普林斯顿大学的科学家已经表明,由于一种称为拓扑半金属的材料中的量子行为,所谓的电子的带负电荷颗粒可以极快地流动。同一组的以前的工作表明,这些电子可以在某些材料的表面上流动,但新的研究表明它们也可以流过大部分材料,在这种情况下,在这种情况下砷化镉。使用称为角度分辨的光曝光光谱(左)的技术,研究人员测量了电子的能量和动量,因为它们被从砷镉喷射出来。所得到的数据揭示了每个电子,作为两个锥体彼此相对的两个锥体,该锥体在一点地收敛,允许电子表格起到不具有质量的光的量子行为的迹象。3-D重建(右)示出锥形电子能够在材料中的所有方向上移动。右上右图显示,这些电子是连接的,允许它们即使通过弯曲或拉伸而变形时也可以移动,这是一种赋予它们拓扑性质的属性。(图片由Zahid Hasan和Suyang Xu提供)

研究人员普林斯顿大学在开发一类新的材料方面迈出了一步,发现了一种新的量子效果,使电子能够通过拓扑半金属的内部划分,具有很小的阻力。

由于智能手机变得更智能,计算机计算得更快,研究人员积极搜索加速信息处理的方法。现在,普林斯顿大学的科学家们在开发一种可以在未来技术中使用的新型材料方面迈出了一步。

他们已经发现了一种新的量子效果,使电子 - 携带当今电子设备的负电荷携带粒子 - 以非常少的阻力通过这些材料的内部破坏。

该发现是称为“拓扑绝缘体”的奇妙材料故事中的最新章节,其中沿着表面的电子喷射而不渗透内部。最新的研究表明,这些电子也可以流过其中一些材料的内部。

“有了这个发现,而不是面对如何仅在材料表面上使用电子的挑战,现在您可以剪切材料,并且您可以在材料内部有三维流动的光类似的电子,”M。普林斯顿物理学教授Zahid Hasan,他领导了发现。

这一发现是由一队来自美国,台湾,新加坡,德国和瑞典的科学家进行,并发表在Nature杂志上通信的两篇论文。第一个纸张,5月7日发布,表明快电子可以从镉和砷,或砷化镉制成的晶体的内部流动。第二篇论文,5月12日发布中,从元件铋和硒的材料制成探索快速电子。

在大多数材料,包括电力的铜和其他金属,电子导航障碍物的障碍物,横向和其他缺陷妨碍微小颗粒,并将它们散布在错误的方向上。这会导致电流的电阻和转换为热量,这就是为什么电子设备在使用过程中变暖。

在拓扑绝缘体和新类的普林斯顿研究人员研究材料中,原子的独特性质结合产生量子效应同轴电缆电子注入作用类似于光波代替象单个颗粒。这些波能够围绕编织和道奇 - 甚至通过移动 - 壁垒通常会停止大部分电子。这些特性进行了理论由查尔斯·凯恩和一队在宾夕法尼亚大学提出二零零五年至2007年和第一实验在固体材料由哈桑组在2007年和2008年观测到。

在2011年,哈桑组检测从组合几个元件的材料制成的内部这个快电子流 - 铋,铊,硫和硒。该研究结果发表在科学杂志上。

在砷化镉的新研究中,电子的平均速度比本组鉴定的先前铋基材料的平均速度为10,000倍。“这是一个很大的事,”哈桑说。“这意味着电子可以在材料中容易地流动,现在可以研究许多异乎寻常的量子效应。过去是不可能的。“

这些材料的最有前途的应用可以是基于新型电子设备的提出的“拓扑量子计算机”,其将使用称为“旋转”的电子的特性来执行计算和传输信息。

这类新类材料中的量子行为使他们引用英国量子物理学家和1933年诺贝尔奖获奖者保罗迪克称为“拓扑迪拉姆半金属”,他指出,电子可以表现得像光。即使在某些类型的拉伸和扭曲变形时,也是“拓扑”的半金属是保留其空间电子特性的速度 - 以及它们的快速电子。

由这些电子所取得的速度导致比较以另一新颖的电子材料,石墨烯.。新类的材料具有优于在一些方面中石墨烯的潜力,哈桑说,因为石墨烯是其中电子可以在两个维度上仅流动原子的单层。砷化镉允许电子在三维空间中流动。
The new study redefines what it means to be a topological material, according to Su-Yang Xu, a graduate student in Hasan’s lab and co-first author of the May 7 paper with postdoctoral research associate Madhab Neupane at Princeton and Raman Sankar of National Taiwan University.

“术语拓扑绝缘体现在是相当闻名的,但是术语”绝缘体“意味着在材料的大部分中没有流动的电子,”徐说。“我们的研究表明,电子在大部分材料中流动,所以显然镉的砷化镉不是绝缘体,但它仍然是拓扑本质上的,因此这是一种完全新的量子物质,”他说。

该团队使用称为角度解析光曝光光谱的技术进行了发现。研究人员吹过一个非常强大的X射线束 - 使用劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源的粒子加速器 - 在材料的表面上,然后将电子监测出来,因为它们被敲出内部。

“当电子出现时,我们测量其能量和速度,以及我们发现的是,从镉砷化镉中出现的电子有类似于无量体中所见的测量值,”Neupane表示。

在自然通信的第二篇论文中,Neupane和共同作者呈现了一种用于控制不同材料,硒化铋中电子颗粒的旋转方向的模型。

“在精致的细节普林斯顿组表明,在某些固体电子遵守三维无质量狄拉克方程”,帕特里克·李,在麻省理工学院谁没有参与工作的物理学教授。“虽然通过理论计算预测,这种行为从未见过的真材实料这过去的一年里,直到。这项工作大大增加了的拓扑结构如何能够真正影响材料的电子态持续的兴奋“。

第一项研究,出现在自然杂志上通讯2014年共同第一作者5月7日,“中高流动性Cd3As2三维拓扑狄拉克半金属相的观察”是普林斯顿大学的Madhab Neupane和苏杨旭和国立台湾大学的桑卡尔拉曼。在普林斯顿大学的研究人员附加谁赞助这项工作是研究生纳赛尔Alidoust和伊利亚Belopolski,和博士后研究助理广卞和刘畅。该小组还包括在台湾国立清华大学的泰 - 荣昌;东华大学国家清华大学的Horng-Tay Jeng和台湾学术馆;新加坡国立大学的杏林子;东北大学的阿伦Bansil;和国立台湾大学的周防城。

第二种研究,“观察超薄拓扑绝缘体Bi2Se3薄膜中量子隧道调节旋转质地,”2014年5月12日的“自然通信”期刊出现。第一作者是Madhab Neupane。普林斯顿的共同作者是苏阳徐,纳斯··贝洛波斯基,常刘和广卞。同样在团队中是安东尼理查德,邓小平和宾夕法尼亚州立大学的纽丁撒玛那;JaimeSánchez-Barriga,Dmitry Marchenko,Oliver Rader和Andrei Varykhalov赫尔默博尔兹中心柏林为材料和能源;瑞典Max-Lab的Mats Leandersson和Thiagarajan Balasubramanian;台湾国家青花大学泰荣昌;东华大学国家清华大学的Horng-Tay Jeng和台湾学术馆;新加坡国立大学林林;和东北大学的苏米塔·巴西亚克和朝伦班塞尔。

美国能源部的基本能源科学办公室(GRANTS DE-FG-02-05ER46200,AC03-76SF00098和DE-FG02-07ER46352)提供了两项研究的主要资金。

出版物

  • Madhab Neupane等,“观察高迁移率CD中的三维拓扑半阶段阶段3.作为2,”自然通信5,商品编号:3786;DOI:10.1038 / ncomms4786
  • Madhab Neupane,等人,“量子穿隧调制自旋观察质地在超薄拓扑绝缘体毕2SE.3.膜,”自然通信5,商品编号:3841;DOI:10.1038 / ncomms4841

PDF研究副本

图片:M. Zahid Hasan和Suyang Xu

是第一个评论“新量子效应使得电子通过拓扑绝缘体的内部迅速流动”

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