Skip to content
Home » Topologische materialen worden schakelbaar

Topologische materialen worden schakelbaar

    Topologische materialen worden schakelbaar
    Topologische materialen worden schakelbaar

    De wederzijdse annihilatie van twee topologische quasideeltjes. Krediet: Raphael Buehler

    Een donut is geen broodje. Dat zijn twee heel duidelijk te onderscheiden objecten: de ene heeft een gat, de andere niet. In de wiskunde wordt gezegd dat de twee vormen topologisch verschillend zijn – je kunt de ene niet in de andere transformeren door kleine, continue vervormingen. Daarom is het verschil tussen hen robuust tegen verstoringen: zelfs als je het broodje kneedt en buigt, ziet het er nog steeds niet uit als een donut.


    Dergelijke topologische eigenschappen spelen ook een belangrijke rol in de materiaalwetenschap, zij het op een wat abstractere manier. Als een materiaaleigenschap topologisch kan worden verklaard, dan is het ook robuust tegen verstoringen: een verandering in de omgevingscondities laat het niet verdwijnen. Nu is een onderzoeksteam er voor het eerst in geslaagd om zo’n topologische eigenschap specifiek om te schakelen: bepaalde materiële toestanden zijn stabiel tegen verstoringen in een breed scala aan parameters, maar bij een bepaald magnetisch veld kunnen ze volledig worden uitgeschakeld. Dit maakt topologische materiaaleigenschappen voor het eerst manipuleerbaar.

    Geometrie in abstracte ruimtes

    In de natuurkunde hebben ‘topologische eigenschappen’ van een materiaal niets te maken met zijn geometrische vorm – het gaat niet om kristalmonsters die donutvormig of bolvormig zijn. In plaats daarvan verwijst de term “topologische eigenschappen” naar de complexe interactie van de vele elektronen in het materiaal.

    Deze interactie kan wiskundig op zeer specifieke manieren worden weergegeven. Het is vaak nuttig om niet na te denken over de positie van de elektronen, maar eerder over hun momentum – of met andere woorden: over hun positie in een abstracte ‘momentumruimte’. In dergelijke wiskundige ruimtes kunnen bepaalde eigenschappen van het materiaal worden bestudeerd, die van elkaar kunnen worden onderscheiden volgens topologische criteria – vergelijkbaar met donut en broodje.

    “Het vinden van dergelijke topologische eigenschappen is op zich al spannend; in 2016 werd de Nobelprijs voor de natuurkunde toegekend voor de ontdekkingen van dergelijke toestanden”, zegt prof. Silke Bühler-Paschen van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. “Maar we hebben nu iets heel nieuws kunnen laten zien: we zijn er voor het eerst in geslaagd om dergelijke topologische toestanden te manipuleren en zelfs uit te schakelen.”

    Extreme topologische effecten op langzame ladingsdragers

    Hiervoor werd een speciaal materiaal van cerium, bismut en palladium gebruikt. De onderzoeksgroep van Bühler-Paschen had de afgelopen jaren al meerdere spectaculaire ontdekkingen gedaan met dit materiaal. Ze waren bijvoorbeeld in staat om exotisch topologisch gedrag in dit materiaal aan te tonen door de elektrische of thermische eigenschappen ervan nauwkeurig te meten.

    Dit gedrag is het gevolg van het feit dat de elektrische lading in dit materiaal op een eigenaardige manier beweegt. In een gewoon elektrisch geleidend materiaal stroomt de stroom eenvoudigweg door individuele elektronen die door het materiaal bewegen. Bij dit bijzondere materiaal is dat echter anders.

    De interactie van vele ladingsdragers creëert hier heel speciale “quasideeltjes” – een collectieve excitatie van de ladingsdragers die zich door het materiaal kunnen voortplanten, vergelijkbaar met hoe geluid zich door de lucht kan voortplanten als een dichtheidsgolf zonder dat individuele luchtdeeltjes uit het geluid hoeven te bewegen bron naar de geluidsontvanger.

    Deze excitaties bewegen heel langzaam in dit materiaal. In zekere zin kunnen ze elkaar niet zo goed passeren. En dit leidt ertoe dat de topologische eigenschappen van het materiaal in de impulsruimte in dit geval bijzonder sterke gevolgen hebben.

    Topologische eigenschappen uitschakelen

    “Onze metingen laten zien dat deze elektrische en thermische eigenschappen inderdaad robuust zijn, zoals je zou verwachten van topologische materiaaleigenschappen”, zegt Bühler-Paschen. Kleine onzuiverheden of externe verstoringen brengen geen dramatische verandering teweeg. “Maar verrassend genoeg kwamen we erachter: met een extern magnetisch veld kun je deze topologische eigenschappen beheersen. Je kunt ze op een gegeven moment zelfs helemaal laten verdwijnen. We hebben dus stabiele, robuuste eigenschappen die je selectief kunt in- en uitschakelen.”

    Deze controle wordt mogelijk gemaakt door de interne structuur van de excitaties, die verantwoordelijk zijn voor het ladingstransport: ze dragen niet alleen elektrische lading, maar ook een magnetisch moment – en dit maakt het mogelijk om ze door een magnetisch veld te schakelen.

    “Als je een steeds sterker extern magnetisch veld toepast, kun je je voorstellen dat deze ladingsdragers steeds dichter bij elkaar worden geduwd totdat ze elkaar ontmoeten en vernietigen – vergelijkbaar met een materiedeeltje en een antimateriedeeltje als je ze laat botsen”, zegt Silke Bühler Paschen.

    Wereldwijde zoektocht naar spannende toepassingen

    De experimenten werden uitgevoerd aan de TU Wien (Wenen), maar voor enkele aanvullende metingen kon het team gebruikmaken van hoogveldlaboratoria in Nijmegen (Nederland) en het Los Alamos National Laboratory (VS). Theoretische ondersteuning werd geboden door Rice University (VS).

    “Deze nieuw ontdekte beheersbaarheid maakt de topologische materialen die al zoveel aandacht hebben getrokken in de natuurkunde nog interessanter”, is Silke Bühler-Paschen overtuigd.

    Mogelijk kunnen de schakelbare topologische toestanden worden gebruikt voor sensor- of schakeltechnologie. Juist omdat de excitaties in het materiaal zo traag zijn en dus een zeer lage energie hebben, zijn ze bijzonder interessant: de excitaties koppelen aan straling in het microgolfbereik, wat vooral belangrijk is voor veel technische toepassingen. Geheel nieuwe, meer exotische toepassingen in de elektronica, waaronder kwantumcomputers, zijn ook denkbaar.

    Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.


    Nieuwe kwantummaterialen ontwerpen op de computer


    Informatie:
    Sami Dzsaber et al, Controle van elektronische topologie in een sterk gecorreleerd elektronensysteem, Natuurcommunicatie (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33369-8

    Geleverd door de Technische Universiteit van Wenen

    citaten: Topologische materialen worden schakelbaar (2022, 10 oktober) opgehaald op 10 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-topological-materials-switchable.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.