Topologische isolatoren: kijken is beïnvloeden

Natuurkundigen lossen raadsel rond metingen met UV-licht op

20 november 2017

In 2016 werd de Nobelprijs toegekend voor de theorie van topologische materie. Topologische isolatoren zijn nieuwe materialen die bijzondere elektronische eigenschappen vertonen en daardoor legio potentiële toepassingen hebben. Natuurkundigen staan echter al tien jaar voor een raadsel: twee belangrijke methodes om deze materialen te onderzoeken, leiden tot heel verschillende uitkomsten. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, en hun collega's uit Frankrijk, Zwitserland en Duitsland, begrijpen nu waarom.

Topologische isolatoren zijn nieuwe materialen met bijzondere eigenschappen. Hoewel deze materialen grotendeels het gedrag van isolatoren vertonen, en dus geen stroom doorlaten, kunnen ze juist aan hun oppervlakte wél stroom geleiden. Topologische isolatoren zijn van groot fundamenteel belang en hebben allerlei potentiële toepassingen in de elektronica, en worden daarom door natuurkundigen uitgebreid onderzocht. In 2016 werd zelfs de Nobelprijs toegekend aan de wetenschappers die voor het eerst op het bestaan van zulke topologische materie wezen.

Twee keer kijken

Het onderzoek naar het gedrag van elektronen - de deeltjes die de stroom geleiden - aan het oppervlak van topologische isolatoren, gebeurt op twee manieren. Om te beginnen kan met behulp van magneetvelden het gedrag van elektronen worden gemeten, het zogeheten magnetotransport. Daarnaast wordt het oppervlak van een materiaal vaak onderzocht door het te beschijnen met ultraviolet licht. Energieoverdracht van de lichtdeeltjes zorgt dat elektronen uit het kristaloppervlak vliegen. Deze elektronen worden vervolgens geanalyseerd. Door gebruik van dit foto-elektrische effect leren onderzoekers veel over de elektronische eigenschappen van een topologische isolator. Deze methode staat bekend als foto-emissie.

Raadsel

Al 10 jaar lang staat men voor een raadsel: de twee verschillende meettechnieken blijken heel verschillende uitkomsten te geven. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, waaronder een tweetal FOM-OIO’s, in samenwerking met collega's uit Frankrijk, Zwitserland en Duitsland, kregen onlangs een vermoeden van wat er aan de hand was. Hun hypothese: het is de meettechniek zélf die de resultaten beïnvloedt.

Schuivende bandenstructuur

De grootheid die bepaalt hoe de elektronen in een stof hun werk doen is de zogeheten bandenstructuur. Die bandenstructuur kan gezien worden als een soort wegennet dat de mogelijke verbanden tussen energieën en golflengtes van de elektronengolven in het materiaal bepaalt. Een doorsnede door zo'n bandenstructuur kan worden afgebeeld in een tweedimensionaal plaatje - zie de afbeelding - en zo’n snapshot geeft belangrijke informatie over de elektronische eigenschappen van een topologische isolator weer. Van bijzonder belang in een topologische isolator is de energie (dus plaats op de y-as) van het kruispunt van de twee takken van de bandenstructuur. Dit bijzondere punt heet het Diracpunt, genoemd naar theoretisch natuurkundige Paul Dirac wiens theorie zulke elektronen beschrijft. Eén zo’n punt is in de afbeeldingen met een gekleurde stip aangegeven.

Bandenstructuur

De bandenstructuur van een topologische isolator, getoond door middel van foto-emissiemetingen. De donkere gebieden in de afbeeldingen laten zien welke energieën (verticaal uitgezet) samengaan met welke (hier inverse) golflengtes voor elektrongolven (horizontaal uitgezet). Na 20 seconden belichting met UV-licht (rechts) is deze bandenstructuur heel anders dan na maar één seconde belichting (links). De kleurstipjes geven de positie van het Diracpunt weer.

Normaliter kost het maken van een bandenstructuurafbeelding één minuut, maar het is de wetenschappers gelukt om ook in een tijdsbestek van één seconde de meting te doen, wat resulteerde in de linkerafbeelding. Het Diracpunt (groene stip) bevindt zich daarin op een hoogte die goed overeenkomt met de waarde van magnetotransportmetingen. De rechter afbeelding is gemaakt na blootstelling aan UV-licht voor slechts 20 seconden, en de rode stip geeft aan dat het Diracpunt na zo'n korte tijd al niet meer op de juiste plaats zit, maar op een energie ver van die uit de transportmetingen.

Het was al eerder bekend dat moleculen uit de omgeving die aan het oppervlak van de topologische isolator vastgeplakt zitten, zulke verschuivingen in het Diracpunt kunnen geven. Door het effect van de plakkende gasmoleculen en het effect van de belichting uit elkaar te halen, toont dit onderzoek nu aan dat de allereerste lichtflits een sleutelrol speelt als startschot voor de neerwaartse glijvlucht van het Diracpunt.  

Prullenbak?

Vanwege het belang van foto-emissie in het wereldwijde onderzoek naar topologische isolatoren, is dit een nuttige resultaat. Betekent dit werk daarmee dat foto-emissie nu de prullenbak in kan? Gelukkig niet! Doordat het effect van het UV-licht nu beter begrepen is, konden de onderzoekers juist vaststellen hoe deze techniek in de toekomst wél juist gebruikt kan worden. De uitkomsten van hun metingen en de voorstellen voor correctere onderzoeksmethodes zijn deze week gepubliceerd in het toonaangevende open acces-tijdschrift Physical Review X.

Referentie

Trigger of the ubiquitous surface band bending in 3D topological insulators, E. Frantzeskakis, S. V. Ramankutty, N. de Jong, Y. K. Huang, Y. Pan, A. Tytarenko, M. Radovic, N. C. Plumb, M. Shi, A. Varykhalov, A. de Visser, E. van Heumen, en M. S. Golden, Physical Review X 7 (2017) 041041.

Gepubliceerd door  IOP