Warszawa, 12 grudnia 2016

Stopnie atomowe jako jednowymiarowe układy topologiczne

Własności elektryczne materii, czy i w jakim stopniu dana substancja przewodzi prąd elektryczny, są przedmiotem badań już od prawie dwustu lat. Stworzona w pierwszej połowie dwudziestego wieku kwantowa teorii materii, pozwoliła zrozumieć naturę trzech wyróżniających się klas materiałów: izolatorów, dobrze przewodzących prąd metali i tak ważnych we współczesnych zastosowaniach półprzewodników, głównie krzemu. Kilka lat temu odkryto czwartą kategorię materiałów, których dziwne własności elektronowe są jakościowo inne niż tych poznanych wcześniej. Kryształy, które są izolatorami „w środku”, w swojej objętości, natomiast ich powierzchnia przewodzi prąd jak metal. Jak już dzisiaj wiemy, ich dziwne zachowanie wynika z subtelnych i głębokich symetrii stanów kwantowych elektronów w krysztale. Te własności opisywane są przy pomocy pojęć z działu matematyki nazwanego topologią, dlatego też nowo odkryte materiały noszą nazwę izolatorów topologicznych.

Materiały te, wykazują szereg unikalnych z punktu widzenia transportu elektronowego w kryształach właściwości, takich jak silne sprzężenie ruchu orbitalnego i momentu magnetycznego elektronów oraz mechanizm tak zwanej „topologicznej ochrony” elektronów przed rozpraszaniem. Ze względu na te własności, izolatory topologiczne zapewniają ważną w ewentualnych zastosowaniach swoistą odporność ruchu elektronów na zewnętrzne zaburzenia i defekty w krysztale.

W roku 2012 w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie (IF PAN) odkryto nowy materiał topologiczny – kryształ mieszany selenku ołowiu i selenku cyny (Pb,Sn)Se [1]. Jest to tzw. topologiczny izolator krystaliczny, w którym specyficzne symetrie kubicznego kryształu gwarantują stabilność i kwantową koherencję 2-wymiarowych stanów elektronowych [1].

Ostatnio, międzynarodowy zespół badaczy z Uniwersytetu w Würzburgu, Uniwersytetu w Zurychu oraz IF PAN (prof. T. Story, dr hab. inż. A. Szczerbakow i mgr P. Dziawa) odkrył nowe jednowymiarowe topologiczne stany elektronowe ulokowane na powierzchni trójwymiarowych topologicznych izolatorów krystalicznych (Pb,Sn)Se wzdłuż naturalnych stopni atomowych o wysokościach sub-nanometrowych (poniżej jednej miliardowej metra). Wykorzystano do tego celu unikalnej jakości monokryształy wyhodowane w IF PAN (rys. 1, A. Szczerbakow). Obserwacji dokonano metodą skaningowej mikroskopii i spektroskopii tunelowej (Uniwersytet w Würzburgu). W tej metodzie atomowo ostra igła skanuje z ultra wysoką precyzją (pozwalającą na obserwację poszczególnych kolumn atomowych) profil powierzchni kryształu i rejestruje dostępne stany elektronowe.

Znaczenie tego odkrycia związane jest z nowymi możliwościami formowania na powierzchni materiałów topologicznych kwantowych jednowymiarowych obwodów elektrycznych o zupełnie nowych właściwościach, w szczególności nie wrażliwych na niedoskonałości struktury realnych materiałów i pole magnetyczne, do zastosowań w elektronice kwantowej.Wyniki badań opublikowano 9 grudnia 2016 roku w najnowszym numerze prestiżowego czasopisma Science [2].

PRACE NAUKOWE:

[1] "Topological crystalline insulator states in (Pb,Sn)Se”,
      P. Dziawa, B.J. Kowalski, K. Dybko, R. Buczko, A. Szczerbakow, M. Szot, E. Łusakowska, T. Balasubramanian, B.M. Wojek, M.H. Berntsen, O. Tjernberg, T. Story,
      Nature Materials 11, 1023 (2012).

[2] "Robust spin-polarized midgap states at step edges of topological crystalline insulators”,
      P. Sessi, D. Di Sante, A. Szczerbakow, F. Glott, S. Wilfert, H. Schmidt, T. Bathon. P. Dziawa, M. Greiter, T. Neupert, G. Sangiovanni, T. Story, R. Thomale, M. Bode,
      Science 354, 6317, 1269 (2016).

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

       prof. dr hab. Tomasz Story

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie

       tel. tel. +48 22 116 26 01

       email: story@ifpan.edu.pl

MATERIAŁY GRAFICZNE:

IFPAN161212_fot01.jpg