Zvětšit obrázek

Beamline 10.0.1. Kredit: Roy Kaltschmidt/ Lawrence Berkeley National Laboratory.

Ve světě technologicky vyspělých materiálů jsou teď mezi nejzářivějšími hvězdami podivuhodný grafen a topologické izolátory – materiály krystalické povahy, které dobře vedou elektrický proud na svém povrchu, tak jako třeba právě grafen, ale uvnitř jsou to izolátory. Jak grafen tak i topologické izolátory zároveň obsahují dvourozměrné Diracovy fermiony, co nejsou totožné s vlastní antičásticí, a díky nim mají báječné fyzikální vlastnosti. Prudký rozvoj technologií kolem grafenu a topologických izolátorů přivedl neposedné vědce k otázce, jestli náhodou neexistují materiály, které by byly 3D variantou grafenu či topologických izolátorů.

Zvětšit obrázek

Yulin Chen. Kredit: Brad Plummer/SLAC.

A kdo hledá, ten najde. Yulin Chen z kalifornské Lawrence Berkeley National Laboratory společně s dalšími kolegy nedávno objevil, že bismutid sodný (Na3Bi) může existovat jako takzvaný trojrozměrný topologický Diracův polokov (3DTDS). Důsledky jejich objevu budou podle všeho dalekosáhlé. Jde o vůbec první známé experimentální potvrzení existence trojrozměrných Diracových fermionů v konkrétním materiálu. Taková doposud neviděná hmota přitom byla teprve před nedávnem teoreticky předpovězena.

Zvětšit obrázek

Topologický Diracův polokov existuje v kritickém bodu fázového přechodu mezi běžným a topologickým izolátorem. Kredit: Lawrence Berkeley National Laboratory.

3DTDS z bismutidu sodného funguje jako trojrozměrný grafen. Elektrony se v něm pohybují stejně svižně jako v grafenu a možná ještě o dost líp. Dotyčný materiál zároveň vykazuje fascinující lineární magnetorezistenci, která je řádově vyšší, nežli u materiálů v současnosti používaných při výrobě harddisků.

Zvětšit obrázek

Advanced Light Source. Kredit: Roy Kaltschmidt/ Lawrence Berkeley National Laboratory.

Chen a spol. při objevu využili služeb zařízení Berkeleyské laboratoře Advanced Light Source (ALS), konkrétně jeho beamline (přimlouval bych se za počeštění jako bímlajna) 10.0.1, která je skvělá pro studie struktury elektronů. Vědci nejprve vyvinuli speciální proceduru, jak správně syntetizovat a transportovat bismutid sodný, který byl již dříve vytipován jako nadějný kandidát na 3DTDS. Na bímlajně 10.0.1 analyzovali elektronovou strukturu bismutidu sodného se zařízením ARPES (Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy).

Bismutid sodný je dost nestabilní záležitost a jeho studium není úplně jednoduché. Bímlajna 10.0.1 je naštěstí jako stvořená pro podobné analýzy nových materiálů. Potvrzení existence trojrozměrného topologického Diracova polokovu teď otevírá dveře vývoji dalších 3DTDS materiálů, které budou praktičtější pro každodenní použití. 3DTDS systémy budou výtečné pro studium dalších podivuhodných fyzikálních jevů, jako například kvantové magnetorezistence anebo oscilujícího kvantového spinového Hallova jevu. Z takového výzkumu by po čase mohly vzejít technologie elektroniky blízké budoucnosti. Ze 3DTDS systémů by také mohla vzniknout ideální platforma pro aplikace spintroniky.

Další obrázky z časopisu Nature. 

Literatura

Berkeley Lab News Center 16. 1. 2014, Science online 16. 1. 2014, Wikipedia (Angle-resolved photoemission spectroscopy).