قلع غیرفلزی شبیه گرافن رفتار می کند

دسته‌ی کم‌یابی از مواد، موسوم به شبه‌فلزات توپولوژیکی دیراک (TDS)، ویژگی‌های الکترونی شبیه به گرافن را نشان می‌دهند البته بجای دوبعد در سه بعد. تاکنون موادی که به عنوان  TDS معرفی شده‌اند مخلوطی از عناصر مختلف بوده‌اند، اما در این پژوهش جدید ویژگی‌های TDSدر یک نوع غیرفلزی از قلع خالص نیز شناسایی شده است. کای-ژی خو (Cai-Zhi Xu) از دانشگاه ایلینوی در اوربانا شامپاین و همکارانش نشان داده‌اند که تغییر تنش بر روی قلع، ظهور رفتار TDSای را کنترل می‌کند.

ساختار نواری الکترونی در گرافن و مواد مرتبط با آن، نواحی مخروطی شکلی را ایجاد می‌کند و حالات الکترونی حول آن‌ها چنان رفتار می‌کنند که گویی بدون جرم‌اند. این حالات که فرمیون‌های دیراک نامیده می‌شوند معمولاً به دو بعد محدود می‌شوند- که می‌تواند ورقه‌ای از گرافن یا یک سطح معروف به عایق توپولوژیکی باشد. اما در TDS، فرمیون‌های دیراک در تمام سه بعد می‌توانند حرکت کنند. این آزادی، راه را بسوی گستره‌ای از ویژگی‌های جالب همچون مقاومت مغناطیسی بسیار بزرگ و الگوی یگانه‌ای از نوسانات کوانتومی در مقاومت می‌گشاید. در پژوهش پیشین تنها دو عضو از دسته‌ی TDS را مشخص شده بودند: Na₃BiNa₃Bi  و  Cd₃As₂.

مطالعات اخیری که در مورد شکل غیرفلزی قلع (که با 𝛼-Sn نمایش داده می شود) انجام شده، نشان داده است که وقتی این ماده تحت تنش قرار می‌گیرد ممکن است فرمیون‌های دیراک ظهور یابند. خی و همکارانش برای نشان دادن این موضوع لایه‌هایی از 𝛼-Sn را بر روی زیرلایه‌ای از ایندیوم آنتیموناید رشد داده‌اند که تقریباً ساختار شبکه‌ای شبه‌الماس دارد. عدم تطابق اندکی که میان این دو شبکه وجود دارد یک تنش (یا تراکم) منفی را در قلع القا می‌کند. این تیم با استفاده از طیف‌سنجی پاسخ‌نوری بر روی نمونه‌هایشان نواحی مخروطی‌شکلی را شناسایی کرده‌اند که نشانه‌ای از یک TDS است. محاسبات نظری آن‌ها نشان داده است که با تنظیم تنش از منفی به مثبت بایستی بتوان قلع را از یک TDS به یک عایق توپولوژیکی سوئیچ‌زنی نمود.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

مایکل شربر (Michael Schirber) کمک‌پیراستار مجله فیزیک در فرانسه است.     

منبع:

Nonmetallic Tin Behaves Like 3D Graphene