Comparación entre los datos experimentales ARPES y la densidad espectral de superficie simulada (DFT), las características agudas con cruces lineales en el punto M corresponden a los estados de la superficie. Crédito:Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) MARVEL
Los aislantes topológicos (TI) son materiales aislantes a granel que, sin embargo, exhiben conductividad metálica en sus superficies. Esta conductividad está garantizada por la topología de la estructura de banda masiva:la superficie presenta estos estados siempre que la simetría que define el índice topológico permanezca igual.
En los llamados TI fuertes, estos estados están protegidos y, por lo tanto, aparecen en todas las superficies. Sin embargo, en TI débiles, estas propiedades solo están protegidas en superficies con cierta orientación. Apilamiento de TI bidimensionales, eso es QSHI, para formar un cristal tridimensional, por ejemplo, generalmente produce un TI débil sin estados protegidos en las superficies superior o inferior del cristal:hay estados de superficie metálica heredados de los estados de borde del TI 2-D, pero también un plano de superficie aislante que se encuentra perpendicular a la dirección de apilamiento.
Trabajo teórico reciente, también realizado por investigadores de MARVEL, sugirió, sin embargo, que este podría no ser el caso de apilado, o a granel, jacutingaite. La investigación sugirió un escenario más complicado:el material puede ser un aislante cristalino topológico (TCI), así como un TI débil. En las TCI, la topología se define por simetría con respecto a un plano de espejo y los estados de superficie metálica se pueden encontrar en superficies perpendiculares a él. Este estado podría esperarse en el material debido a su triple simetría especular. Sin embargo, Jacutingaite también mantiene la simetría de traslación en el apilamiento de las capas, lo que significa que también podría presentar las propiedades de un TI débil. Hasta ahora, sin embargo, no ha habido resultados experimentales sobre la estructura de la banda a granel.
Investigación iniciada por el laboratorio THEOS de EPFL y llevada a cabo en colaboración con el Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Universidad de Ginebra y otros grupos, incluido Diamond Light Source en el Reino Unido. Sin embargo, ahora ha descrito la primera síntesis de un solo cristal de jacutingaita y ha utilizado la muestra para proporcionar evidencia de su naturaleza de doble topología comparando la estructura electrónica de superficie y de volumen determinada a partir de experimentos de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES) basados en sincrotrón con DFT. cálculos. El papel, Estructura electrónica a granel y de superficie del semimetal Pt de topología dual 2 HgSe 3 , ha sido publicado recientemente en Cartas de revisión física .
El trabajo reveló estados superficiales protegidos topológicamente en el plano de escisión natural (001) del material, inesperado, ya que debería admitir una fase topológica débil, ya que es una pila de QSHI 2-D. Los cálculos de ciertos invariantes topológicos confirmaron la fase de aislante topológico débil generalmente caracterizada por modos sin espacios en las superficies laterales, pero estados completamente separados en las superficies superior e inferior. Por lo tanto, se asumió que los estados de superficie encontrados en la superficie 001 eran la manifestación de una fase topológica diferente.
Estructura cristalina de jacutingaita a granel (Pt 2 HgSe 3 ), en rojo y azul, una de las dos funciones de Wannier localizadas al máximo que subyacen al modelo de unión estrecha J3KM. Crédito:Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) MARVEL
Los investigadores plantearon la hipótesis de que podría ser una indicación de la fase TCI asociada con la simetría de espejo triple del cristal. En cuyo caso, Se esperan estados de superficie protegidos topológicamente en superficies de cristal que conservan la simetría especular y este fue el caso de la superficie escindida (001).
Utilizando los cálculos de los primeros principios, los investigadores pudieron identificar este estado de superficie como la firma de una fase TCI que coexiste con la fase WTI genérica encontrada en los mismos cálculos. Por lo tanto, los resultados proporcionan evidencia para la topología dual predicha de Pt 2 HgSe 3 . Sin embargo, lo que no quedó claro es el mecanismo detrás del estatus de jacutingaite como un aislante topológico dual.
Este mismo tema fue abordado en el trabajo teórico desarrollado en THEOS de EPFL, investigación que complementó el trabajo experimental y computacional realizado en el otro artículo. En el artículo Topología dual emergente en el Kane-Mele Pt tridimensional 2 HgSe 3 , investigadores Antimo Marrazzo, Nicola Marzari, y su colega Marco Gibertini en la Universidad de Ginebra, anteriormente de THEOS, extendió el modelo bidimensional de Kane-Mele (KM) utilizado para describir materiales topológicos a jacutingaite a granel. El artículo se publicó recientemente en Physical Review Research.
Demostraron que la topología inesperada en jacutingaite a granel proviene de una fuerte hibridación entre capas que conduce a una generalización tridimensional del modelo KM. Mientras que las capas más cercanas están casi desacopladas, hay una gran, término de salto peculiar que indica un fuerte acoplamiento entre capas que están separadas por dos capas. Las capas pares e impares son entonces más o menos independientes y pueden describirse por separado mediante un modelo 3-D KM, apodado J3KM en el periódico, que incluye una inversión de banda impulsada por este novedoso término de salto. Esto da como resultado una línea nodal que se separa por el acoplamiento espín-órbita y un número de Chern distinto de cero, es decir, Estados de superficie protegida compatibles con TCI. Sin embargo, cuando se restaura el acoplamiento entre capas pares e impares, el material vuelve a actuar como WTI.
Esta información proporciona una comprensión microscópica de la topología dual emergente del material. El modelo J3KM predice la presencia de estados de superficie y líneas nodales separadas por interacciones espín-órbita, de acuerdo con las mediciones ARPES y simulaciones de primeros principios realizadas en el otro trabajo. El modelo es relevante para todos los demás materiales en capas hechos de celosías de panal apiladas y proporciona una estrategia atractiva para romper el paradigma estándar de los aislantes topológicos débiles.
Finalmente, la combinación de la evidencia experimental, Las simulaciones de primeros principios y los modelos teóricos en jacutingaite 3-D respaldan la predicción anterior de THEOS de que jacutingaite 2-D es un aislante Hall de espín cuántico Kane-Mele (similar al grafeno).
