Sự dẫn điện mặt tô pô ở antimon

alt

Ảnh minh họa một sóng electron truyền qua một gờ bậc. (Ảnh: Ali Yazdani)

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa chứng minh rằng các electron ở trong những trạng thái mặt tô pô học vẫn giữ độ dẫn cao của chúng bất chấp sự có mặt của các khiếm khuyết bề mặt. thí nghiệm trên xác nhận một tiên đoán chủ chốt về hành trạng của các electron trên bề mặt của một “chất cách điện tô pô học” – một trạng thái mới được khám phá của vật chất hứa hẹn mang lại một nền vật lí mới phong phú và có thể có những ứng dụng thực tiễn trong điện tử học và điện toán lượng tử.

Các chất cách điện tô pô học có sức thu hút lớn trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ vì các tính chất dẫn khác thường của chúng. Mặc dù dòng điện không dễ gì chảy qua nguyên khối vật liệu này – vì thế mới có tên gọi như vậy – nhưng dòng điện thật sự chạy tốt trên bề mặt của chúng. Do đó, các chất cách điện tô pô học có thể sử dụng làm các chất dẫn điện cực mỏng trong các dụng cụ điện tử, và có thể còn dung dưỡng những loại giả hạt mới không nhạy với sự nhiễu môi trường vốn là thứ dịch họa đối với các máy tính lượng tử.

Những tính chất kì lạ của các chất cách điện tô pô học phát sinh do hình dạng – hay dạng thức tô pô học – của các dải năng lượng electron khiến cho một electron trên mặt không thể bị tán xạ lùi. Nếu một electron như vậy nằm trên một bề mặt kết tinh kiểu bậc thềm với các bậc nguyên tử liên tiếp nhau, thì lí thuyết tiên đoán rằng electron đó sẽ không bị tán xạ nếu nó chuyển động vuông góc với các bậc thềm. Điều này không giống với các electron ở trên các bề mặt của các kim loại thông thường, chúng bị phản xạ mạnh tại các bậc thềm.

Ali Yazdani cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Princeton bắt đầu kiểm tra tiên đoán này bằng cách nghiên cứu các electron trên bề mặt của một đơn tinh thể antimon. Antimon là một á kim loại và do đó không hoàn toàn là một chất cách điện tô pô học, nhưng nó thật sự có các trạng thái mặt tô pô học.

Đội nghiên cứu bắt đầu với việc đặt một tinh thể antimon trong một buồng chân không cực cao, trong đó nó bị chẻ ra để phô ra một bề mặt sạch kiểu bậc thềm. Sau đó, mẫu được làm lạnh xuống 4 K và bề mặt của nó được phân tích bằng một kính hiển vi quét chui hầm (STM).

STM đo mật độ của các trạng thái năng lượng electron trên bề mặt đó. Những electron này có xu hướng bị giam giữ với từng bậc riêng lẻ và các trạng thái năng lượng của chúng là lời giải cho bài toán cổ điển của môn vật lí lượng tử dạy ở trường đại học – hạt nằm trong một cái hộp.

Tuy nhiên, vì các electron tồn tại trong các trạng thái tô pô học, nên chúng có thể “rò rỉ” ra khỏi các bậc thềm nếu chúng chuyển động vuông góc với một bậc. Sự rò rỉ này nới lỏng các trạng thái năng lượng hạt-trong-hộp, cái có thể nhìn thấy qua ảnh chụp STM. Bằng cách đo bề rộng của chúng, Yazdani và đội nghiên cứu tính được rằng các electron ở các trạng thái mặt tô pô học truyền qua một gờ bậc khoảng 50% thời gian, và bị phản xạ khoảng 50% thời gian còn lại. Trái lại, khi các thí nghiệm tương tự được thực hiện sử dụng các kim loại thường như đồng, thì có sự truyền hiệu dụng zero giữa các gờ bậc.

Theo Yazdani, độ truyền không đạt 100% vì các trạng thái electron của antimon phức tạp hơn các trạng thái mặt tô pô học ở những chất liệu khác. Sự truyền các electron mặt tô pô học còn tùy thuộc vào hướng spin của chúng – và ở antimon, cấu trúc khe và các tính chất spin khiến cho các electron mặt có thể vừa truyền qua vừa bị phản xạ khỏi những chỗ khuyết tật. Ở những chất liệu khác, sự phản xạ có thể hoàn toàn bị cấm.

Thật vậy, khả năng đo sự truyền qua lẫn sự phản xạ là một đặc điểm quan trọng của thí nghiệm trên. Trong khi kĩ thuật STM hoạt động rất tốt ở antimon, thì Yazdani trình bày rằng nó không thích hợp cho nghiên cứu bề mặt của một số chất cách điện tô pô học khác ít có sự phản xạ.

Công trình công bố trên tạp chí Nature.