Инженеры обещали революцию, а физики продолжали копать глубже. Им было интересно понять, существует ли в природе естественный трёхмерный аналог графена. Теперь сотрудники Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) сообщают, что висмутат натрия может существовать как форма «квантовой материи» - трёхмерный топологический дираковский полуметалл (сокращённо, 3DTDS). Исследователям удалось впервые экспериментально подтвердить, что в толще данного материала присутствуют трёхмерные дираковские фермионы, природа которых лишь недавно была описана теоретиками.
«3DTDS является естественным трёхмерным аналогом графена с аналогичными свойствами. При этом он с той же скоростью или даже быстрее пропускает электроны. А поскольку дираковские фермионы в его толще являются объёмными, материал обладает непредельной линейной магниторезистивностью, которая может быть на несколько порядков выше, чем у сегодняшних материалов, используемых в жёстких дисках», - говорит ведущий автор исследования Юйлинь Чэнь (Yulin Chen) из Оксфорда.
Новый материал является ближайшим «родственником» графена и топологических изоляторов. Последний представляет собой вещество, проводящее ток лишь на поверхности, но являющееся диэлектриком внутри. И графен, и топологический изолятор содержат двухмерные дираковские фермионы, но 3DTDS является первым доказательством существования трёхмерных частиц с теми же свойствами.
«Быстрое развитие технологий на основе графена и топологических изоляторов породило вопросы о том, существуют ли у графена трёхмерные аналоги и есть ли ещё какие-либо материалы с нестандартной топологией электронной структуры. Своим открытием мы ответили на оба эти вопроса», - рассказывает Чэнь в пресс-релизе Национальной лаборатории в Беркли.
Как сообщают физики, в висмутате натрия объёмная проводимость и валентные зоны соприкасаются только в дискретных точках и образуют трёхмерные дираковские фермионы.
«Топология электронной структуры 3DTSD так же уникальна, как и в топологических изоляторах», - добавляет Чэнь.
Открытие было сделано на экспериментальной установке Advanced Light Source, принадлежащей Национальной лаборатории в Беркли. Учёные использовали пучок синхротронного излучения, оптимизированный под исследование электронного строения. Им впервые удалось разработать методику правильного синтеза и переноса висмутата натрия. Отметим, что в необычных свойствах это соединение заподозрили сотрудники Китайской академии наук за несколько лет до открытия.
Электронную структуру материала физики определили, использовав методику фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением: рентгеновские лучи падают на поверхность материала и вызывают фотоэмиссию электронов под такими углами и с такими кинетическими энергиями, что их можно измерить и получить детальный электронный спектр.
Стоит отметить, что до обещанной «революции» ещё далеко. Физики хоть и обнаружили уникальные свойства висмутата натрия, но признали, что он слишком нестабилен. Его необходимо изолировать от других материалов и химических соединений, что, естественно, невозможно, если речь идёт о производстве электронных устройств для обычных пользователей. Поэтому необходимо искать более стабильные аналоги.
Авторы исследования отмечают в свой статье, опубликованной в журнале Science, что 3DTDS-система также открывает двери в мир новых физических свойств, таких как гигантское магнетосопротивление. Изучение подобных эффектов однажды должно привести к созданию электронных технологий будущего.