Открытие, по сути представляющее собой трехмерную версию графена — двумерных углеродных листов, по которым электроны движутся со скоростью, во много раз превышающей скорость их движения в кремнии, — открывает перед высокотехнологичной промышленностью захватывающие перспективы, в том числе создание гораздо более быстрых транзисторов и гораздо более компактных жестких дисков. Группа исследователей из Лаборатории Беркли Министерства энергетики США обнаружила, что висмутат натрия может существовать в виде формы квантовой материи, называемой трехмерным топологическим полуметаллом с дираковскими свойствами (3DTDS). Это первое экспериментальное подтверждение существования трехмерных фермионов Дирака внутри материала. Это новое состояние, которое было лишь недавно предложено теоретиками.
"3DTDS - естественный трехмерный аналог графена с аналогичной или даже лучшей подвижностью и скоростью электронов", - говорит Юлин Чен, физик из Усовершенствованного источника света Лаборатории Беркли (ALS), когда он инициировал исследование, которое привело к этому открытию, а теперь работает в Оксфордском университете.
«Благодаря трехмерным фермионам Дирака в объеме 3DTDS обладает интригующим нелинейным магнитосопротивлением, которое может быть на несколько порядков выше, чем у материалов, используемых в современных жестких дисках. Это открывает возможности для создания более эффективных оптических датчиков». Чен — автор статьи в Science, в которой сообщается об этом открытии.
Сегодня два самых интересных новых материала в мире высоких технологий — это графен и топологические изоляторы, кристаллические материалы, которые являются электрически изолирующими в объеме, но проводящими на поверхности. Оба материала содержат двумерные фермионы Дирака (фермионы, которые не являются собственной античастицей), что обусловливает их необычные и очень востребованные физические свойства. Топологические изоляторы также обладают уникальной электронной структурой, при которой объемные электроны ведут себя как электроны в изоляторе, а поверхностные — как электроны в графене.
«Стремительное развитие графена и топологических изоляторов поставило вопрос о том, существуют ли трехмерные аналоги и другие материалы с необычной топологией электронной структуры, — говорит Чен. — Наше открытие дает ответы на оба вопроса. В изученном нами висмутате натрия объемные зоны проводимости и валентности соприкасаются только в дискретных точках и линейно диспергируют по всем трем направлениям импульса, образуя объемные трехмерные фермионы Дирака». Кроме того, топология электронной структуры 3DTSD столь же уникальна, как и топология топологических изоляторов.
Открытие было сделано в Advanced Light Source (ALS), национальном пользовательском центре Министерства энергетики США, расположенном в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, с использованием beamline 10.0.1, который оптимизирован для исследований электронной структуры. Сотрудничающая исследовательская группа сначала разработала специальную процедуру для правильного синтеза и транспортировки висмутата натрия, полуметаллического соединения, идентифицированного соавторами Фангом и Дай, теоретиками Китайской академии наук, как сильный кандидат на 3DTDS.
На линии 10.0.1 коллайдера ALS исследователи определили электронную структуру материала с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (англ. Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES). При этом рентгеновские лучи, попадающие на поверхность или границу раздела материалов, вызывают фотоэмиссию электронов под определенными углами и с определенной кинетической энергией, которые можно измерить для получения подробного электронного спектра.
Висмутат натрия слишком нестабилен, чтобы его можно было использовать в устройствах без надлежащей защиты, но он стимулирует поиск других материалов 3DTDS, более подходящих для повседневных устройств. Этот поиск уже ведется. Висмутат натрия также можно использовать для демонстрации потенциальных областей применения систем 3DTDS, которые обладают рядом явных преимуществ перед графеном.
«Система 3DTDS может значительно повысить эффективность во многих областях применения по сравнению с графеном благодаря своему трехмерному объему, — говорит Чен. — Кроме того, создание атомарно тонких однодоменных графеновых пленок большого размера по-прежнему остается сложной задачей. С помощью систем 3DTDS можно будет проще изготавливать устройства на основе графена для более широкого спектра применений».
Кроме того, по словам Чена, система 3DTDS открывает возможности для изучения других новых физических свойств, таких как гигантский диамагнетизм, который возрастает при приближении энергии к трехмерной точке Дирака, квантовое магнитосопротивление в объеме, уникальные структуры уровней Ландау в сильных магнитных полях и осциллирующие квантовые спиновые эффекты Холла. Все эти новые свойства могут стать прорывом в будущих электронных технологиях. Будущие системы 3DTDS также могут стать идеальной платформой для применения в спинтронике. -- Источник: Лаборатория Лоуренса в Беркли