Materiaalien elektronien kvanttikäyttäytyminen on nykyaikaisen elektroniikan ja tietotekniikan perusta. Kvanttimateriaalit, joissa on topologisia elektronisia ja optisia ominaisuuksia ovat välttämättömiä kvantisoitujen elektronisten vasteiden toteuttamiseksi seuraavan sukupolven tekniikassa.
Kiteillä, joilla on ”kätisyys”, on epätavallisia ominaisuuksia. Uudet todisteet viittaavat siihen, että ne voivat järjestää elektroneja, jotka liikkuvat kuten hidastunut valo. Niiden kollektiivinen käyttäytyminen jäljittelee magneettisia monopoleja.
Princetonin yliopistossa ja Berkeley Labissa toiminut kansainvälinen tutkijaryhmä on havainnut, että tietynlaiset kideluokat, saattavat kätkeä elektroneja, jotka käyttäytyvät odottamattomilla tavoilla. Nämä kiteet ovat epäsymmetrisiä ja ne tunnetaan kiraalisina kiteinä.
- Ennen työtämme kiraalisten kiteiden elektronien kvanttitason ominaisuuksia oli harvoin tutkittu. Tämä ratkaiseva työ avaa uuden alueen topologisten materiaalien etsintään, sanoi tutkimuksen johtaja M. Zahid Hasan.
Kiraaliset kiteet ovat fyysikoille erittäin kiinnostavia niiden magneettisten, optisten, johtavuuden ja erityisesti niiden topologisten ominaisuuksien vuoksi.
- Aineen topologiset ominaisuudet ovat nousseet yhdeksi modernin fysiikan halutuimmista tutkimuskohteista. Niiden avulla on mahdollista löytää sovelluksia seuraavan sukupolven kvantti- ja nanoteknologioille, Hasan visioi.
Aiempiin tuloksiin tukeutuen tutkijat päättelivät, että kiraaliset kiteet pystyvät isännöimään uusia muotoja Weyl-fermioneja. Nämä ovat elektroneja, jotka käyttäytyvät kollektiivisesti kuin ne olisivat massattomia. Ryhmä sovelsi näitä ideoita kiraalisille kiteille ja löysi odottamattomia tuloksia liittyen niiden elektronisiin, optisiin ja topologisiin käyttäytymisiin, mikä johdatti aiheen nimeksi "topologiset kiraaliset kiteet".
Koska näytteiden elektroninen käyttäytyminen näyttää jäljittelevän kiteiden kiraalisuutta, Hasan toteaa, että syntyy monia uusia väyliä tutkittavaksi. Esimerkiksi halutaan testata, voidaanko suprajohtavuus siirtää muiden materiaalien välillä topologiseen johteeseen.
- Tämä voisi johtaa uudenlaiseen suprajohteeseen tai uuden kvanttivaikutuksen tutkimiseen. Onko mahdollista kehittää kiraalinen topologinen suprajohde? Hasan kysyy.
Vaikka viimeisimmässä tutkimuksessa rodium-pii- ja koboltti-pii -kiteissä havaittuja topologisia ominaisuuksia pidetään ihanteellisina, on olemassa monia muita tunnistettuja materiaaleja, joita voidaan tutkia ja arvioida, Zahid Hasan toteaa Berkeley Labin tiedotteessa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 15.4.2019
