La conducción eléctrica en la superficie del yoduro de bismuto del aislante topológico (flechas rosadas y verdes) pasa de los lados 2D (izquierda) a los bordes 1D de esos lados (derecha) cuando el material se enfría a una temperatura crítica de alrededor de 80 grados Fahrenheit. Crédito:Jianwei Huang / Rice University
Un equipo de Rice University y sus colaboradores han descubierto una transición a temperatura ambiente entre estados de conducción eléctrica 1D y 2D en cristales topológicos de bismuto y yodo.
Los investigadores descubrieron que podían alternar el material, cadenas cristalinas de yoduro de bismuto (Bi 4 I 4 ), entre estados de conducción de bajo y alto orden a una temperatura de transición de alrededor de 80 grados Fahrenheit. La investigación está disponible en línea esta semana en la revista American Physical Society. Revisión física X y fue dirigido por físicos de Rice; la Universidad de Texas en Dallas; la Universidad de California, Berkeley; Universidad del Estado de Ohio; y otras instituciones.
Bi 4 I 4 es un aislante topológico, un material que es conductor en su superficie o bordes pero no en su interior. La celosía de cristal de Bi 4 I 4 sufre un cambio sutil en la temperatura de transición. El cambio cambia el comportamiento electrónico del material, y el estudio mostró este cambio, o "transición de fase, "es el límite entre los estados de conducción topológica 1D y 2D.
El estado 2D de alta temperatura presenta conducción eléctrica alrededor de cuatro lados de los cristales rectangulares. Los físicos del arroz Ming Yi, Jianwei Huang y sus colaboradores descubrieron que la conducción pasó a los bordes 1D cuando el material se enfrió por debajo de los 80 grados.
"Esta es la primera evidencia que sugiere que el estado de baja temperatura es en realidad un aislante topológico de orden superior donde la conducción ocurre en las bisagras del cristal en lugar de en las superficies". "dijo Yi, profesor asistente de física y astronomía y coautor del estudio PRX. "Imagínese comenzar en el estado de alta temperatura, donde tiene un volumen aislante y superficies de conducción alrededor de los lados del material. Tan pronto como atravieses esta distorsión estructural, la conducción se limita a las bisagras unidimensionales donde se encuentran estos lados ".
Físicos de la Universidad de Rice (en el sentido de las agujas del reloj desde la izquierda) Yichen Zhang, Ruohan Wang, Yucheng Guo, Jianwei Huang, Han Wu y Ming Yi son miembros de un equipo dirigido por Rice que descubrió una transición a temperatura ambiente entre estados de conducción eléctrica 1D y 2D en cristales topológicos de bismuto y yodo. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
En la mayoría de los materiales, las diferencias entre fases, como el hielo sólido o el agua líquida, surgen de diferentes simetrías organizativas de sus partes constituyentes. En la década de 1980, los físicos descubrieron fases de la materia con simetrías idénticas. Finalmente se demostró que estos surgen de propiedades topológicas, Estados cuánticos "protegidos" que son de creciente interés para la computación cuántica.
Yi dijo que el cambio dimensional en la conducción eléctrica mediado por Bi 4 I 4 La transición de fase podría potencialmente usarse para diseñar un interruptor eléctrico operado por cambios de temperatura.
"Esta transición ocurre a temperatura ambiente, "Yi dijo." Es una transición de fase de primer orden, lo que significa que el cambio ocurre muy repentinamente. Es un pequeño cambio de la red cristalina que impacta directamente la conducción eléctrica en los límites del cristal ".
Huang, un investigador asociado postdoctoral de Rice y autor principal del estudio, dijo que los laboratorios de todo el mundo están compitiendo para encontrar y catalogar materiales topológicos, y los físicos sólo recientemente han comenzado a clasificarlos en subfamilias.
Mientras Bi 4 I 4 La combinación de propiedades es única, Huang dijo que el descubrimiento de esta semana podría ayudar en la búsqueda de materiales topológicos similares.
La conducción eléctrica en la superficie de los cristales rectangulares del aislante topológico yoduro de bismuto (Bi4I4) está representada por flechas rosadas y verdes. Los físicos de la Universidad de Rice descubrieron transiciones de conducción desde una superficie 2D en cuatro lados de los cristales (arriba a la derecha) a los bordes 1D de esos lados (arriba a la izquierda) debido a un cambio sutil en la red cristalina del material (abajo, de derecha a izquierda) cuando el material se enfría a una temperatura crítica de alrededor de 80 grados Fahrenheit. Crédito:Jianwei Huang / Rice University
"Nuestros hallazgos son consistentes con las predicciones teóricas recientes de aisladores topológicos de orden superior que están más allá del alcance de las bases de datos de materiales topológicos establecidas, " él dijo.
El laboratorio de Yi y sus colaboradores en el laboratorio de UC Berkeley, coautor correspondiente, Robert Birgeneau, utilizaron una técnica experimental llamada espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) para mapear Bi 4 I 4 características de la banda electrónica.
"ARPES es la mejor sonda para observar materiales topológicos porque hay una firma muy distinta que dirá si los materiales son topológicos o no, " ella dijo.
Para distinguir entre los estados de conducción 1D y 2D, su equipo tuvo que "mirar diferentes superficies, y eso es extremadamente difícil de hacer, "Dijo Yi.
Yi dijo que las contribuciones críticas provienen de los coautores correspondientes de UT Dallas, Fan Zhang, quien proporcionó orientación teórica y predicción, y Bing Lv, cuyo laboratorio sintetizó Bi 4 I 4 cristales de hasta un centímetro de largo, un milímetro de ancho y cientos de micrones de espesor. El tamaño de los cristales permitió a Huang tomar medidas ARPES cruciales tanto en la parte superior como en los lados de los materiales.
