La structure de bande hybride de l'isolant topologique composé tellurure de bismuth, finement recouvert de bismuth pur, comme dessiné par ARPES :l'intensité relative des bandes change avec l'augmentation de l'énergie des photons de rayons X de la source lumineuse avancée (de gauche à droite). La ligne verticale immobile qui relie le sommet de la bande de valence de surface du tellurure de bismuth (ci-dessous) avec le sommet de la bande hybride (ci-dessus) est un signe d'interactions à plusieurs corps de surface.
(Phys.org)—En vrac, les isolants topologiques (TI) sont de bons isolants, mais à leur surface ils agissent comme des métaux, avec une torsion :le spin et la direction des électrons se déplaçant à travers la surface d'un TI sont verrouillés ensemble. Les TI offrent des opportunités uniques pour contrôler les courants électriques et le magnétisme, et de nouvelles recherches par une équipe de scientifiques de Chine et des États-Unis, travailler avec Alexei Fedorov de Berkeley Lab à la ligne de lumière 12.0 à la source de lumière avancée, indique des moyens de manipuler leurs états de surface.
Graphène, une seule couche d'atomes de carbone, partage une propriété intrigante avec les TI. À la fois, leurs structures de bande - les énergies auxquelles les électrons circulent librement dans une bande de conduction ou sont liés à des atomes dans une bande de valence - sont assez différentes des bandes de métaux qui se chevauchent, les bandes d'isolants largement séparées, ou l'écart énergétique étroit d'un semi-conducteur entre les bandes. Dans le graphène et les TI, les bandes de conduction et de valence forment des cônes qui se rencontrent en un point, la pointe de Dirac.
Ici s'arrête leur ressemblance. Les cônes parfaits du graphène ne donnent qu'une vue sommaire de la structure réelle de la bande :un écart par rapport aux lignes parfaitement droites apparaît lorsque toutes les interactions possibles des électrons sur leur chemin à travers le réseau d'atomes de carbone sont incluses - un processus appelé "renormalisation". Renormaliser les états électroniques près du point de Dirac (autrement dit, dessiner les pointes des cônes) nécessite de comprendre le comportement collectif de nombreux électrons et trous chargés positivement (absence d'électrons, également appelées quasiparticules).
Une renormalisation a été observée dans le graphène, mais pas dans les TI - jusqu'à maintenant, et le faire a pris un tour. Les chercheurs ont étudié différents composés TI en utilisant la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) sur la ligne de lumière 12.0, qui a la capacité unique d'imager directement les structures de bandes électroniques. Ils ont pris des spectres de deux isolants topologiques prometteurs, tellurure de bismuth et séléniure de bismuth.
Les TI ont deux ensembles de structures de bande, faisant écho à la différence entre leurs propriétés de volume et de surface, et quand ARPES a imagé les composés de l'échantillon « nus, " les bandes massives obscurcissaient les cônes de surface et les pointes de Dirac. Mais après la stratification de films de bismuth pur, qui est aussi un TI, sur les composés, les bandes en vrac embêtantes ont disparu.
Dans un composé en une couche, bismuth sur tellurure de bismuth, L'ARPES a révélé de façon spectaculaire le point de Dirac, en fait deux d'entre eux. Deux séries de lignes convergentes sont apparues, une rencontre au sommet de la bande de valence de surface du tellurure de bismuth et l'autre à une énergie plus élevée. Une ligne verticale brillante reliait les extrémités des deux cônes.
Si les cônes étaient vraiment séparés, les particules chargées entre elles auraient une vitesse infinie. Mais après analyse, les chercheurs ont déterminé que le spectre ARPES était un hybride, et que la ligne verticale révélatrice provenait d'interactions à plusieurs corps qui étaient le signe de la renormalisation bloquant l'infini qu'ils recherchaient.
Ce qui rend les interactions à plusieurs corps difficiles à détecter dans les TI, c'est que, contrairement au graphène, leurs structures de bande de surface sont polarisées en spin, ou "hélicoïdal". En hybridant deux TI particulièrement bien assortis et en inclinant leurs cônes de Dirac, la renormalisation cachée a été trouvée - dans au moins une structure TI.
