Tema

Flera sorters kvanttillstånd möjliga i samma material

De flesta kvantmaterial har bara en enda så kallad topologisk kvantfas. Men nu har fysiker upptäckt att det är möjligt att ha flera olika topologiska kvanttillstånd i ett och samma material. Upptäckten öppnar för tillämpningar inom framtidens kvantdatorer.

För tio år sedan upptäcktes de första så kallade topologiska isolatorerna som inte leder elektrisk ström inuti materialet, men kan leda mycket ström på ytan. Sedan dess har flera olika topologiska material upptäckts. Elektronens unika beteende hos topologiska material beror på särskilda kombinationer av elektronens kvanttillstånd och kristallsymmetri.

Alla hittills kända material känneteckens av att de härbärgerar en enda topologisk kvantfas.

Nu har forskare bevisat att det är möjligt att ha flera olika topologiska kvanttillstånd i ett enda material. Det är ett internationellt samarbete med både experimentell och teoretisk forskning från USA, Sverige, Polen och Taiwan.

Liten ordlista

Topologi är en gren inom matematiken som beskriver fysiska former på olika objekt och formen på deras gemensamma rum. Det handlar om sådana egenskaper som inte ändras när man utvidgar eller trycker ihop geometriska figurer. På så vis har ytorna på en vaniljmunk och en tekopp samma topologi.

Kvantmaterial är material som utnyttjar de fenomen som uppstår på atomnivå där kvantfysikens lagar härskar. T ex att en elektron kan ha flera olika egenskaper samtidigt.

Topologiska isolatorer är kvantmaterial leder elektrisk ström på ytan utan motstånd, medan resten av materialet är en isolator som inte leder ström. Egenskapen beror på kvantmekaniska fenomen som är kopplade till elektronernas spinn och rörelse. Därigenom har materialet egenskaper som borde passa för att bygga kvantdatorer och annan elektronik där elektronernas spinn används för att lagra och bearbeta information.

Flera möjliga tillämpningar
Topologiska kvantmaterial förväntas kunna användas till exempel i framtidens kvantdatorer eller spinntroniska komponenter just därför att den topologiska invarianten skyddar elektronernas rörelse mot störningar utifrån. Att ha olika topologiska kvanttillstånd i ett och samma material öppnar för fler möjliga tillämpningar.

Uppsalafysikerna Alex Aperis, Ashis Nandy, Pablo Maldonado och Peter Oppeneer använde kvantmekaniska beräkningar och utvecklade en teori för att bestämma de topologiska egenskaperna som behövs för att avgöra om ett kvanttillstånd är topologiskt skyddat eller inte. På det sättet kunde de förutsäga att ett visst material, kvantmetallen Hf2Te2P, skulle kunna härbärgera flera helt olika topologiska faser – en Dirac-kon som formas av tillståndet på materialets yta och en en-dimensionell Dirac-nod-linje som formas av andra yttillstånd.

Experiment bevisade teorin
Uppsalaforskarnas samarbetspartners i Florida, USA, lyckades uppmäta de bägge topologiska kvanttillstånden genom högupplöst fotoelektronspektroskopi. Upptäckten av Dirac-nod-linjen är särskilt uppseendeväckande eftersom detta kvanttillstånd är en helt ny topologisk kvantfas som är annorlunda från tidigare kända topologiska tillstånd. Tillståndet är skyddat genom en tvådimensionell form av tidsinvarians, vilket Uppsalafysikerna kunde bevisa.

– Det är förbluffande häpnadsväckande att vår teori kunde förutsäga förekomsten av två helt olika topologiska materiefaser på ytan och att deras existens med noggrannhet kunde bevisas experimentellt precis där vi hade förutsagt att de skulle finnas. Den främsta slutsatsen vi drar av dessa nya forskningsresultat är att det att det fortfarande finns okända topologiska kvantfaser att utforska, säger Alex Aperis, forskare vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, som utvecklade teorin bakom upptäckten.

Kontakt:
Dr. Alex Aperis, Institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, alex.aperis@physics.uu.se, 076-921 23 12

Prof. Peter Oppeneer, Institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, peter.oppeneer@physics.uu.se, 070-960 40 16

Artikeln:
Distinct multiple fermionic states in a single topological metal
M. M. Hosen et al., (Nature Communications)

Läs också

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Flera sorters kvanttillstånd möjliga i samma material

 lästid ~ 3 min