عایقهای توپولوژیکی به حالت تودهای عایق بسیار خوبی هستند اما سطح آنها به صورت یک فلز عمل میکند. در این عایقها اسپین و جهت حرکت الکترون در طول یک سطح به نحوی است که با یکدیگر تداخل دارند. با استفاده از عایقهای توپولوژیکی میتوان جریان الکتریکی و خواص مغناطیسی را تحت کنترل در آورد. اخیرا یک تیم تحقیقاتی از آزمایشگاه برکلی روشی برای دستکاری حالتهای سطحی این عایقها ارائه کردهاند.
بلوک شدن نامحدود در عایقهای توپولوژیکی
عایقهای توپولوژیکی به حالت تودهای عایق بسیار خوبی هستند اما سطح آنها بهصورت یک فلز عمل میکند. در این عایقها اسپین و جهت حرکت الکترون در طول یک سطح به نحوی است که با یکدیگر تداخل دارند. با استفاده از عایقهای توپولوژیکی میتوان جریان الکتریکی و خواص مغناطیسی را تحت کنترل در آورد. اخیرا یک تیم تحقیقاتی از آزمایشگاه برکلی روشی برای دستکاری حالتهای سطحی این عایقها ارائه کردهاند.
گرافن مادهای است که دارای خواص پیچیدهای است برخی از این خواص با عایقهای توپولوژیکی یکسان هستند. برای مثال هر دوی این مواد دارای باندگپی متفاوت از فلزات هستند بهطوری که در عایقهای توپولوژیکی این باند گپ فاصله زیادی از هم داشته و در گرافن باند گپ شبیه مواد نیمههادی است. باندهای ظرفیت و هدایت در عایقهای توپولوژیکی و گرافن بهصورت مخروطی شکل بوده و در یک نقطه بههم میرسند که به آن نقطه دیرک گفته میشود.
ساختار مخروط کامل گرافن در حالت ایدهآل وجود دارد معمولا همیشه انحرافی در این ساختار مخروطی دیده میشود که این انحراف معمولا زمانی رخ میدهد که برهمکنش میان همه الکترونهای عبوری از میان شبکه اتم کربن در نظر گرفته شود، به این پدیده رنرمالیزاسیون گفته میشود. رنرمالیزاسیون حالتهای الکترونیکی در نقطه نزدیک دیرک ( در نزدیک نوک مخروط) نیازمند درک رفتار الکترونها و حفرهها است.
پیش از این رنرمالیزاسیون در گرافن دیده شده اما در عایقهای توپولوژیکی مشاهده نشده بود. این تیم تحقیقاتی با استفاده از طیف سنجی نشر نوری با زاویه مشخص روی عایقهای توپولوژیکی مطالعه کردند. عایقهای توپولوژیکی دو نوع ساختار باندی مختلف دارند که نمایانگر تفاوت میان خواص سطحی و تودهای عایقهای توپولوژیکی است. زمانی که با این طیفسنج از نمونه دست نخورده تصویر گرفته میشود، باند تودهای موجب مات شدن نقطه دیرک و مخروط سطحی میشود. اما بعد از لایه لایه کردن و رسیدن نمونه بیسموت خالص، باند تودهای محو میشود.
در نمونه لایهای بیسموت روی تلورید بیسموت، طیفسنج نقطه دیرک و باند تودهای را با هم نشان میدهد. این دو سری خطوط روی هم قرار ندارند بلکه باند تودهای در انرژی بالاتری قرار گرفته است. اگر این دو مخروط کاملا از هم جدا شوند آنگاه ذرات باردار میان آنها سرعت بینهایت پیدا خواهند کرد. نتایج تحقیقات این گروه ثابت کرد که طیف بهدست آمده در این پروژه یک طیف ترکیبی است و جدا شدن کامل میان دو مخروط اتفاق نمیافتد. دلیل این امر بلوک شدن رنرمالیزاسیون بی نهایت است.
در نمونه لایهای بیسموت روی تلورید بیسموت، طیفسنج نقطه دیرک و باند تودهای را با هم نشان میدهد. این دو سری خطوط روی هم قرار ندارند بلکه باند تودهای در انرژی بالاتری قرار گرفته است. اگر این دو مخروط کاملا از هم جدا شوند آنگاه ذرات باردار میان آنها سرعت بینهایت پیدا خواهند کرد. نتایج تحقیقات این گروه ثابت کرد که طیف بهدست آمده در این پروژه یک طیف ترکیبی است و جدا شدن کامل میان دو مخروط اتفاق نمیافتد. دلیل این امر بلوک شدن رنرمالیزاسیون بی نهایت است.