Topologiquement protégé signifie que certaines des propriétés du matériau sont constantes de manière fiable même si le matériau n'est pas parfait. Cette qualité renforce également la possibilité future d'applications pratiques et de fabricabilité pour ces types de matériaux.

Ilya Belopolski, un chercheur de Princeton qui a participé à la fois aux travaux théoriques et expérimentaux, a noté qu'une propriété particulièrement intéressante des cristaux étudiés, qui comprenaient des cristaux de cobalt-silicium et de rhodium-silicium, est qu'ils peuvent produire un courant électrique d'une force fixe lorsque vous les éclairez.

"Nos théories précédentes ont montré que, sur la base des propriétés électroniques du matériau que nous avons maintenant observées, le courant serait fixé à des valeurs spécifiques, " dit-il. " Peu importe la taille de l'échantillon, ou si c'est sale. C'est une valeur universelle. C'est incroyable. Pour les candidatures, la performance sera la même."

Lors d'expériences précédentes à l'ALS, L'équipe de Hasan avait révélé l'existence d'un type de quasiparticules sans masse connues sous le nom de fermions de Weyl, qui n'existait en théorie que depuis environ 85 ans.

Les fermions de Weyl, qui ont été observés dans des cristaux synthétiques d'un semi-métal appelé arséniure de tantale, présentent des propriétés électroniques similaires à celles trouvées dans les cristaux utilisés dans la dernière étude, mais manquaient de leurs traits chiraux. Les semi-métaux sont des matériaux qui ont des propriétés métalliques et non métalliques.

"Nos travaux antérieurs sur les semi-métaux de Weyl ont ouvert la voie à la recherche sur les conducteurs topologiques exotiques, " a déclaré Hasan. Dans une étude de novembre 2017 axée sur la théorie entourant ces matériaux exotiques, L'équipe de Hasan a prédit que les électrons dans le rhodium-silicium et de nombreux matériaux apparentés se comportaient de manière très inhabituelle.

L'équipe avait prédit que les quasi-particules dans le matériau - décrites par le mouvement collectif des électrons - émergeraient comme des électrons sans masse et devraient se comporter comme ralenties, Particules de lumière 3D, avec des traits de latéralité ou de chiralité définis contrairement aux isolants topologiques ou au graphène.

Aussi, leurs calculs, publié le 1er octobre 2018 dans le Matériaux naturels journal, ont suggéré que les électrons dans les cristaux se comporteraient collectivement comme s'ils étaient des monopôles magnétiques dans leur mouvement. Les monopôles magnétiques sont des particules hypothétiques avec un seul pôle magnétique, comme la Terre sans pôle Sud qui peut se déplacer indépendamment d'un pôle Nord.

Tout ce comportement topologique inhabituel renvoie à la nature chirale des échantillons de cristal, qui créent une structure électronique en spirale ou "hélicoïdale", comme observé dans les expériences, a noté Hassan.

Les échantillons étudiés, qui contiennent des cristaux mesurant jusqu'à quelques millimètres de diamètre, ont été préparés à l'avance par plusieurs sources internationales. Les cristaux ont été caractérisés par le groupe de Hasan au laboratoire de Princeton pour la matière quantique topologique et la spectroscopie avancée à l'aide d'un microscope à effet tunnel à basse température qui peut numériser des échantillons à l'échelle atomique, et les échantillons ont ensuite été transportés au Berkeley Lab.

Avant d'étudier à l'ALS, les échantillons ont subi un traitement de polissage spécialisé à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation de recherche scientifique à l'échelle nanométrique. Daniel Sanchez et Tyler Cochran, les chercheurs de Princeton qui ont contribué à l'étude, a déclaré que les échantillons pour de telles études sont généralement « clivés, " ou cassés de sorte qu'ils soient atomiquement plats.

Mais dans ce cas, les liaisons cristallines étaient très fortes car les cristaux ont une forme cubique. Les membres de l'équipe ont donc travaillé avec le personnel de la fonderie moléculaire pour projeter des atomes d'argon à haute énergie sur les échantillons de cristal afin de les nettoyer et de les aplatir. puis recristallisé et poli les échantillons par un processus de chauffage.

Les chercheurs ont utilisé deux lignes de faisceaux de rayons X différentes à l'ALS (Beamline 10.0.1 et Beamline 4.0.3) pour découvrir les propriétés électroniques et de spin inhabituelles des échantillons de cristal.

Parce que le comportement électronique dans les échantillons semble imiter la chiralité dans la structure des cristaux, Hasan a dit qu'il y a beaucoup d'autres pistes à explorer, comme tester si la supraconductivité peut être transférée à travers d'autres matériaux vers le conducteur topologique.

"Cela pourrait conduire à un nouveau type de supraconducteur, " il a dit, "ou l'exploration d'un nouvel effet quantique. Est-il possible d'avoir un supraconducteur topologique chiral ?"

Aussi, alors que les propriétés topologiques observées dans les cristaux de rhodium-silicium et de cobalt-silicium dans la dernière étude sont considérées comme idéales, il existe de nombreux autres matériaux identifiés qui pourraient être étudiés pour évaluer leur potentiel d'amélioration des performances pour les applications du monde réel, dit Hassan.

"Il s'avère que la même physique pourrait également être possible de réaliser dans d'autres composés à l'avenir qui sont plus adaptés aux appareils, " il a dit.

"C'est une immense satisfaction de prédire quelque chose d'exotique et cela apparaît aussi dans les expériences de laboratoire, " Hasan a ajouté, notant les succès antérieurs de son équipe dans la prédiction des propriétés topologiques des matériaux. "Avec des prédictions théoriques définitives, nous avons combiné théorie et expérimentation pour faire avancer la frontière de la connaissance."