Рис. 1
(а) Кристаллическая структура SmB6 и вицинальная поверхность, использованная в данном исследовании.
(б) Полученная электронограмма анизотропной сверхструктуры поверхности. Различная интенсивность отмеченных пятен (сплошной кружок и штриховой кружок) соответствует поверхностной анизотропии.
(c) Поверхность Ферми TSS, полученная с помощью ARPES. Изображение имеет двукратную симметрию, несовместимую с объемной четырехкратной симметрией.
Авторы и права: Ёсиюки Оцубо, Син-ити Кимура

Топологически защищенные формы, такие как лента Мёбиуса, не могут быть изменены без их разрушения с помощью таких методов, как разрезание. Исследователи из Университета Осаки разработали новый способ изменения электронных структур поверхности, обходя ее топологическую защиту.

Физики полагали, что металлические поверхностные состояния топологических изоляторов очень стабильны, потому что поверхностные состояния защищены симметрией волновой функции объемной электронной структуры. Это свойство является важным преимуществом прикладных изделий, используемых в различных окружающих средах; однако эта особенность также означает, что трудно контролировать состояние поверхности в соответствии со своей целью.

«Считалось, что это выгодно, например, для предотвращения эффектов загрязнения, — говорит ведущий автор Ёсиюки Оцубо, — но мы обнаружили, что топологически защищенными поверхностными состояниями можно управлять, изменяя симметрию поверхности, не касаясь ее внутренней части, что быть новым методом управления топологическими электронными состояниями, полезными для квантовых вычислений и других передовых технологий».

Новаторским результатом этого исследования является то, что электронная структура слегка наклоненной поверхности от объемной плоскости симметрии монокристаллического гексаборида самария (SmB₆) не имеет той же симметрии, что и объемная. Этот результат указывает на то, что при изготовлении этой новой поверхностной атомной структуры было создано другое топологическое состояние поверхности.

«Другими словами, поверхностная электронная структура и проводящие свойства могут контролироваться с помощью методов изготовления», — объясняет Шин-Ичи Кимура, старший автор. «Это послужит методом контроля топологически защищенных электронных структур и их физических свойств ».

Этот результат исследования показал, что топологическое поверхностное электронное состояние, которое считалось «строго» определяемым объемной симметрией, имеет много степеней свободы и может «гибко» контролироваться путем манипулирования поверхностной атомной структурой. Ожидается, что это достижение будет применено к устройствам следующего поколения с низким энергопотреблением и высокой скоростью, использующим то же самое электронное состояние, а также к передаче информации в квантовых компьютерах.

В Nature Communications была опубликована статья «Разрушение объемно-проекционной изотропии в поверхностных электронных состояниях топологического изолятора Кондо SmB₆ (001)».