Fizycy z Wrocławia i topologiczne „ciepło-zimno”

grafen.jpg
Niezwykłe własności materiałów topologicznych są od niedawna przedmiotem intensywnych badań. Zespół naukowców PAN z Wrocławia pokazał nowy sposób, jak dowiedzieć się więcej o tego typu związkach. To zabawa w ciepło-zimno.
Materiały topologiczne to obszerna klasa związków chemicznych, których nieoczywiste zachowania zadziwiają naukową społeczność. Z dnia na dzień trafiły na czołówki gazet – w 2016 r. za badania topologicznych stanów materii Nagrodę Nobla otrzymali David Thouless, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz.

 

Własności tych substancji są chronione przez ich topologiczne charakterystyki – dopiero drastyczna ingerencja może wywołać reakcję układu. Analogią może być pączek, z którego bez wyrywania dziury nie uda się zrobić odmiennej topologicznie oponki.

Materiały topologiczne jako bardzo nowa klasa związków nie doczekały się jeszcze praktycznych zastosowań. Badacze wiążą jednak z nimi wielkie nadzieje – w wielu aspektach niektóre z tych materiałów są trójwymiarowymi odpowiednikami grafenu. Mogą one m.in. posłużyć do budowy czujników fizyko-chemicznych lub biologicznych. Pojawia się także perspektywa zastosowań w elektronice, spintronice i komputerach kwantowych, jako że przewodzenie prądu elektrycznego przez stany topologiczne odbywa się prawie bez strat.

Zespół trzech fizyków – dr hab. Marcin Matusiak i prof. Dariusz Kaczorowski z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu oraz prof. John R. Cooper z Uniwersytetu w Cambridge, zbadał nowy materiał topologiczny ZrSiS.

To monokryształ, w którego skład wchodzi cyrkon, krzem i siarka. W swoich eksperymentach badacze użyli metody nieoczywistej – pomiaru siły termoelektrycznej: podgrzewali materiał w polu magnetycznym, ale tylko z jednej strony, i mierzyli napięcie, jakie wtedy w krysztale się pojawia. Okazało się, że taka zabawa w “ciepło-zimno” to strzał w dziesiątkę. Dzięki niej można dogłębnie poznać właściwości ZrSiS. Należy się spodziewać, że opracowaną metodę uda się z powodzeniem wykorzystać również w przypadku innych związków topologicznych. Rezultaty badań polsko-brytyjskiego zespołu przedstawiono w maju w prestiżowym “Nature Communications” https://www.nature.com/articles/ncomms15219

Pierwszy autor publikacji, dr hab. Marcin Matusiak z INTiBS PAN powiedział w rozmowie z PAP, że ZrSiS to tzw. semimetal topologiczny typu nodal-line. “Zmierzyliśmy jak zachowują się nośniki ładunku wewnątrz takiego kryształu i jak wygląda jego struktura elektronowa” – opowiada fizyk.

I precyzuje: “Nazwa takich związków pochodzi od tego, że charakterystyczne dla semimetali topologicznych przecięcie pasm walencyjnego i przewodnictwa przyjmuje postać linii węzłów”.

Jak dodaje, elektrony w takich warunkach mają cechy tzw. fermionów Diraca. “Są o wiele bardziej ruchliwe i trudniej je rozproszyć, niż inne nośniki ładunku elektrycznego” – mówi. Elektronika oparta na takim materiale powinna być szybsza, niż wykonana ze standardowego półprzewodnika. “My jednak zajmujemy się badaniami podstawowymi, które mają prowadzić do zrozumienia zjawiska. Zastosowania pojawią się jako naturalny kolejny etap” – zaznacza fizyk.

Szczegółowe informacje na temat tego, co dzieje się w milimetrowych kryształkach ZrSiS, udało się zdobyć właśnie dzięki pomiarowi termosiły. “Przez próbkę przepuszczamy strumień ciepła tak, by kryształek z jednej strony miał inną temperaturę, niż z drugiej. Jako skutek tej różnicy temperatur, na końcach próbki pojawia się napięcie elektryczne” – opowiada dr Matusiak.

Pomiary wykonywane są w polu magnetycznym do 12,5 Tesli i w temperaturach między 1,5 a 100 K (czyli od około 272 do -173 st. C). “To nie są wartości rekordowe. Doświadczenie jest też stosunkowo łatwo wykonać, a potrafi ono dać dużo więcej informacji, niż pomiary np. oporu elektrycznego” – mówi rozmówca PAP. Jak dodaje, w takich warunkach w kryształach ZrSiS pojawiają się tzw. oscylacje kwantowe. Kiedy się wie, jak one przebiegają, można wyciągnąć sporo wniosków o strukturze elektronowej materiału.

Jak wyjaśnia dr Matusiak, sama technika pomiaru termosiły jest znana od dawna. Nie jest jednak bardzo popularna, bo zdarza się, że niesie ze sobą aż nadmiar informacji. “Wygląda na to, że czasami warto poświęcić nieco wysiłku, aby te informacje z danych wydobyć. Wymaga to pewnego nakładu pracy, ale w efekcie możemy powiedzieć o badanym materiale dużo więcej” – kończy fizyk.

PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

PODZIEL SIĘ

ZOSTAW ODPOWIEDŹ