研究人员发现了石墨烯的自然3D对应物

Beaxley Lab的高级光源在伯克利实验室的高级光源中针对电子结构和相关电子系统进行了优化。（照片由Roy Kaltschmidt）

研究人员团队已经发现，铋酸钠可以作为一种称为三维拓扑Dirac半金属（3DTD）的量子物质，是具有相似或甚至更好的电子迁移率和速度的石墨烯的天然三维对应。

发现基本上是石墨烯的基本上3D版本 - 电子竞争在许多次通过硅的速度通过硅的速度 - 承诺为高科技行业提供令人兴奋的新事物，包括更快的晶体管还有更紧凑的硬盘。美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员的合作发现，铋酸钠可以作为一种称为三维拓扑狄半金属（3DTD）的量子物质形式存在。这是材料内部或大部分材料中的3D Dirac码头的第一个实验证实，这是最近由理论家提出的新型状态。

“3DTDS是一种自然的三维对应，具有类似甚至更好的电子移动和速度的石墨烯，”伯克利实验室的先进光源（ALS）的物理学家说，当他发起了导致这一发现的研究时，现在与牛津大学。“由于其体积中的3D Dirac码头，3DTD还具有诱人的非饱和线性磁阻，可以是比现在使用的材料高的数量级，并且它打开了更有效的光学传感器的门。”

在从正常绝缘体到拓扑绝缘体的相变的临界点处实现了拓扑Dirac半金属状态。+和标志表示能带的偶数和奇数。

陈是科学报告发现的论文的相应作者。本文标题为“发现三维拓扑狄拉克半岩，Na3bi”。共同作者是中凯刘，博周，易张，志君王，洪明翁，德哈拉巴哈卡兰，宋泉莫，志勋沉，钟方，十二和扎希德侯赛因。

今天高技术世界中最令人兴奋的两种最令人兴奋的新材料是石墨烯和拓扑绝缘体，晶体材料在散装中电绝缘但在表面上进行。两个特征2D DIRAC费米子（不是他们自己的抗披肩的费米物），这引起了非凡和高度垂涎的物理性质。拓扑绝缘体还具有独特的电子结构，其中散装电子表现得像绝缘体中的那些，而表面电子表现得像石墨烯那样。

陈说：“石墨烯和拓扑绝缘体的迅速发展已经提出了关于是否存在具有不同寻常拓扑的3D对应物和其他材料，”陈说。“我们的发现回答了两个问题。在我们研究的嗜钠铋中，散装传导和价带仅在离散点处触摸，沿着所有三个动量方向分散，以形成散装3D Dirac码头。此外，3DTSD电子结构的拓扑也与拓扑绝缘体一样独特。“

该发现是在先进的光源（ALS）中，使用BeaCline 10.0.1在Berkeley Lab处于伯克利实验室的DOE国家用户设施进行，这针对电子结构研究进行了优化。合作研究团队首先开发了一种特殊的程序，以适当地合成和运输铋钠，一项半金属化合物被中国科学院的合着者和傣族，理论家的强大3DTDS候选人鉴定为强大的3DTDS候选人。

在Als Beamline 10.0.1处，协作者使用角度分辨的光曝光光谱（ARPE）确定其材料的电子结构，其中闪烁材料表面或界面的X射线导致电磁体和动力学的光曝光。测量以获得详细的电子谱。

“Als Beamline 10.0.1非常适合探索新材料，因为它具有独特的能力，即分析仪被移动而不是用于ARPes测量扫描的样本，”陈说。“这使得我们的工作更容易，因为我们的材料的切割样品表面有时具有多个方面，这使得通常用于难以执行的ARPES测量的旋转样本测量方案。”

铋酸钠太不稳定，在没有适当的包装的情况下使用，但它触发了对日常设备更适合于日常设备的其他3DTDS材料的开发的探索。铋酸钠也可用于展示3DDDS系统的潜在应用，这提供了完全在石墨烯上的一些明显的优势。

“3DDDS系统由于其3D音量，在石墨烯上的许多应用中可以提高效率显着提高，”陈说。“此外，制备大尺寸的原子薄单畴石墨烯薄膜仍然是一个挑战。制造石墨烯型器件可以更容易从3DTDS系统提供更广泛的应用程序。“

陈说，3DTDS系统还打开了其他新颖的物理性质，例如巨大的抗磁场，当能量接近3D Dirac点时，散装在强磁场下的独特Landau水平结构中的量子磁阻，以及振荡量子旋转霍尔效果。所有这些新颖性质都可以是未来电子技术的福音。未来的3DTDS系统也可以作为闪光灯中的应用程序的理想平台。

这项研究得到了科学办公室和中国国家科学基金的支持。

出版物：Z. K. Liu等，“发现了三维拓扑狄拉克半岩，Na3BI，”科学; DOI：10.1126 / Science.1245085.

研究报告的PDF副本：发现三维拓扑狄拉克半岩，Na3bi

图像：Roy Kaltschmidt