Visualisierung der Grenzmoden der Ladungsdichtewelle in einem topologischen Material

Ladungsdichtewellen sind Quantenphänomene, die in bestimmten Materialien auftreten und eine statische Modulation von Leitungselektronen und periodische Gitterverzerrungen beinhalten. Diese Wellen wurden in vielen Materialien aus kondensierter Materie beobachtet, darunter Hochtemperatursupraleiter und Quanten-Hall-Systeme.

Obwohl viele Studien diese Zustände untersucht haben, sind experimentelle Beobachtungen der Grenzzustände, die sich aus Ladungsdichtewellen ergeben, immer noch selten. In einem kürzlich erschienenen Artikel, veröffentlicht in NaturphysikForscher der Princeton University und anderer Institute auf der ganzen Welt haben die Massen- und Grenzmoden der Ladungsdichtewelle im topologischen Material Ta visualisiert₂Se₈ICH.

„Unsere Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entdeckung und Untersuchung neuer topologischer Eigenschaften von Quantenmaterie mithilfe verschiedener hochmoderner experimenteller Techniken, die die elektronische Struktur von Materialien untersuchen“, sagte Co-Autor Maksim Litskevich gegenüber Phys.org zu dem Artikel. „In den letzten Jahren war die Physik-Community begeistert von der Erforschung der faszinierenden und reichhaltigen Eigenschaften von Kagome-Materialien, die Geometrie, Topologie und elektronische Wechselwirkungen auf komplexe Weise miteinander verknüpfen. »

Litskevich und seine Kollegen waren Pioniere bei der Untersuchung von Ladungsdichtewellen. Vor einigen Jahren entdeckten sie die Koexistenz einer Ladungsdichtewelle, eines Vielteilchen-Quantenzustands, der durch eine räumliche Modulation der elektronischen Ladung und einer isolierenden Energielücke gekennzeichnet ist, und einem Kantenmodus ohne Lücke in FeGe, einem von Kagomes Materialien.

Obwohl Forscher beobachtet haben, dass diese beiden Zustände in FeGe nebeneinander existieren, bedeutet dies nicht unbedingt, dass ein Zustand den anderen verursacht. Tatsächlich könnte der Randzustand auch trivial (nicht-topologisch) sein oder auch aus einer Topologie entstehen, die nichts mit der Ladungsdichtewelle zu tun hat.

„Inspiriert durch die Untersuchung der Kagome-Verbindungen setzte unser Forschungsteam die Suche nach einem Zusammenhang zwischen der Ladungsdichtewelle und der Topologie fort und konzentrierte sich dabei auf eine quasi-eindimensionale Verbindung, Ta.“₂Se₈„Ich zeige topologische Eigenschaften und erlebe einen Übergang in den Ladungsdichtewellenzustand (unter -10 Grad Celsius)“, sagte Litskevich.

„Interessanterweise zeigten unsere Rastertunnelmikroskopie-Messungen einen In-Gap-Grenzzustand (Randzustand) in einem Ladungsdichtewellenzustand bei niedriger Temperatur, gefolgt von dessen Verschwinden im Halbzustand – Weyl-Metall bei hoher Temperatur. »

Litskevich und Kollegen fanden heraus, dass die räumliche Periodizität und Phase der von ihnen beobachteten Grenzmodenschwingungen eng mit den Eigenschaften der Ladungsdichtewelle in Ta zusammenhängt₂Se₈I. Diese koabhängige Beziehung legt nahe, dass es eine inhärente Beziehung zwischen dem Grenzmodus und der Ladungsdichtewelle gibt, eine Hypothese, die sie dann durch theoretische Modellierung bestätigten.

„Zum ersten Mal haben wir damit die Lücke zwischen topologischen Wellen- und Ladungsdichtesystemen geschlossen und damit einen weiteren Schritt zum Verständnis der Komplexität der Quantenwelt getan“, sagte Litskevich.

Um ihre Experimente durchzuführen, verwendeten die Forscher eine experimentelle Technik namens Rastertunnelmikroskopie (STM). STM, das auf langen, dünnen, nadelartigen Sonden basiert, um Materialien auf atomarer Ebene abzubilden, ermöglichte es ihnen, das quasi-1D-Material Ta zu untersuchen und genau zu untersuchen₂Se₈ICH.

„Wir haben unsere Messungen an einem Omicron LT STM (LT = Low Temperature) bei einer Temperatur zwischen 160 K und 300 K (-113 bis 27 Grad Celsius) unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt“, sagte Litskevich. „STM nutzt ein Quantentunnelphänomen zwischen einer scharfen Metallspitze und der leitenden Oberfläche der Probe. Aufgrund des Quantentunnelns können sich bewegende Elektronen zwischen der Spitze und der Probe entweichen und einen winzigen elektrischen Strom erzeugen, der von der empfindlichen Elektronik erfasst wird. »

Der von den STM-Sonden erfasste Tunnelstrom wird dann verwendet, um die Oberfläche der Materialien mit subatomarer Auflösung abzubilden. Durch die Analyse der Stärke des Stroms als Funktion der angelegten Spannung (eine Technik, die als Rastertunnelspektroskopie bekannt ist) konnten die Forscher auch die Elektronenpopulation im Material nach Energieniveaus abbilden.

„Bezüglich unserer untersuchten Verbindung, Ta₂Se₈„Mit der STM-Bildgebung konnten wir den Wellenzustand der Ladungsdichte identifizieren, indem wir den Unterschied im elektrischen Strom hervorhoben, der von den schwach und stark geladenen Regionen erzeugt wird“, sagte Litskevich. „Darüber hinaus haben wir durch die Leitung unseres Tunnelstroms von der Spitze zur atomar scharfen Kante der Probe einen In-Gap-Grenzmodus im Ladungsdichtewellenzustand von Ta entdeckt.“₂Se₈ICH.”

Litskevich und Kollegen beobachteten die erste Visualisierung eines einzigartigen topologischen Grenzmodus, der aus der Ladungsdichtewelle von Ta resultiert₂Se₈I. Die Beobachtung dieses Modus verbessert das Verständnis von Ladungsdichtewellen und ebnet den Weg für weitere Studien auf diesem Gebiet.

„Der von uns beobachtete topologische Grenzmodus, der mit der Ladungsdichtewelle verbunden ist, weist eine einzigartige Topologie auf, die sich von den traditionellen Quantenspin-Hall-Kantenmodi unterscheidet“, Md Shafayat Hossain, Mitautor des Artikels. „Anstelle des üblichen spektralen Flusses der Stärke des zugehörigen Impulses beobachten wir einen ‚pseudospektralen Fluss‘ der Phase des Impulses.“ Insbesondere bleibt die Wellenvektorphase der Ladungsdichtewelle ununterbrochen und verbindet die Phasen der unterbrochenen Masse, was einen äußerst exotischen Zustand darstellt. »

Die Forscher fanden heraus, dass der isolierende Raum durch die Ladungsdichtewelle in Ta induziert wird₂Se₈Modus I und sein Grenzmodus im Intervall sind bemerkenswert robust und bleiben bei Temperaturen bis zu 260 K bestehen. Diese Temperaturrobustheit könnte für verschiedene Anwendungen von Vorteil sein und die Entwicklung neuer Technologien erleichtern, die diesen Modus nutzen.

„Die Implikationen unserer Erkenntnisse sind vielfältig“, sagte Hossain. „Der Grundzustand der geordneten Ladungsphase in Ta₂Se₈I (unsere Hardware-Plattform) soll ein axionischer Isolator sein, eine äußerst begehrte Phase der Materie. Wir stellen jedoch fest, dass Ta₂Se₈„Es fehlt der topologische Oberflächenzustand, den man von einem nichtmagnetischen axionischen Isolator erwartet. »

Obwohl die von Litskevich, Hossain und ihren Kollegen gesammelten Beobachtungen die topologische Natur der ladungsgeordneten Phase hervorheben, werfen sie Zweifel an einigen früheren theoretischen Interpretationen auf. Genauer gesagt deuten sie darauf hin, dass Ta. im Gegensatz zu früheren Hypothesen₂Se₈Vielleicht bin ich kein axionischer Isolator.

„Wir hoffen, dass unsere Arbeit die wissenschaftliche Gemeinschaft insgesamt dazu inspirieren wird, nach anderen Phasen gebrochener Symmetrie (CDW) in topologischen Materialien zu suchen und so das Verständnis der Wechselwirkung zwischen diesen neuen Phänomenen voranzutreiben“, sagte Hossain. „In der Gruppe von Professor Zahid Hasan in Princeton widmen wir uns gezielt der Entdeckung neuer Quantenphasen der Materie. »

Die von diesem Forschungsteam identifizierte neue Phase eröffnet neue interessante Forschungswege. Aufbauend auf ihrer jüngsten Entdeckung planen Litskevich, Hossain und ihre Kollegen nun, neue Quantenphänomene zu erforschen, die aus der Wechselwirkung zwischen Ladungsdichtewellen und der Topologie eines Materials entstehen. Sie werden beispielsweise die bekannten Parallelen zwischen Ladungsdichtewellen und Supraleitung genauer untersuchen.

„So wie die Kombination von Topologie und Supraleitung zur topologischen Supraleitung führt – einer vielversprechenden Plattform für topologische Quantenberechnungen – könnten topologische Ladungsdichtewellen auch für Quantencomputing und Nanotechnologien der Zukunft wichtig sein“, fügte Hossain hinzu. „Wir beabsichtigen, diese Möglichkeiten weiter zu erkunden. Unser unmittelbares Ziel ist es, die mit diesem exotischen Quantenzustand verbundenen Ordnungsparameter zu bestimmen. »

In ihren nächsten Studien wollen Hossain und seine Kollegen auch andere Quantenmaterialien untersuchen, die Ladungsdichtewellen aufweisen, und nach ähnlichen Phänomenen suchen. Schließlich werden sie ihre Suche nach der Entdeckung neuer Phänomene in Quantenmaterialien fortsetzen und hoffen, dass dies zu interessanten neuen Entdeckungen führen wird.

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