14.01.2021

Ladungsdichtewelle induziert Phasenübergang

Erstes Beispiel eines korrelationsgetriebenen Phasenübergangs vom topologischen Halbmetall zum Isolator.

Topologische Materialien zeichnen sich durch einzig­artige elektronische und physikalische Eigen­schaften aus, die von der zugrunde­­liegenden Topologie ihrer elektronischen Systeme bestimmt werden. Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für Mikrostruktur­physik in Halle und für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden haben jetzt entdeckt, dass (TaSe4)2I das erste Material ist, bei dem eine Ladungs­dichtewelle einen Phasen­übergang zwischen dem Zustand des Halbmetalls zum Isolator induziert.

Abb.: Röntgen­beugungs­intensitäten in der Nähe des Hauptreflexes der...
Abb.: Röntgen­beugungs­intensitäten in der Nähe des Hauptreflexes der Ladungs­dichtewellen­phase des topo­logischen Weyl-Halbmetalls (TaSe4)2I. (Bild: MPI Mikrostruktur­physik)

(TaSe4)2I ist ein unge­wöhnliches Material, das knapp unterhalb der Raumtemperatur eine strukturelle Verzerrung erfährt, die durch eine Ladungs­dichtewelle entsteht. Aufgrund von Elektronen­korrelationen wird das Elektronengas im System instabil gegenüber einer langreich­weitigen periodischen Variation der Elektronen­ladungsdichte, die eng mit einer periodischen Modulation der Atome in der Kristall­struktur gekoppelt ist. Gleichzeitig wurde gezeigt, dass es sich bei diesem Material um ein topologisches Metall eines bestimmten Typs handelt, nämlich um ein Weyl-Semi-Metall.

Diese Art eines topo­logischen Metalls ist durch eine elektronische Struktur gekennzeichnet, die Weyl-Punkte aufweist, an denen sich linear verlaufende elektronische Bänder kreuzen, ohne eine Energiebandlücke zu bilden. Diese Weyl-Punkte treten paarweise auf, wobei jeder von ihnen eine entgegengesetzte Chiralität besitzt. Die Forscher zeigen, dass (TaSe4)2I 24 Paare solcher Punkte mit einer entsprechenden sehr großen so genannten chiralen Ladung von +16 besitzt. Auch sind die topo­logischen Eigenschaften dieser Verbindung eng mit der Ladungs­dichtewelle verbunden, deren Wellenvektor sich aus den Abstands­vektoren zwischen Weyl-Punkten mit entgegen­gesetzter chiraler Ladung ableitet.

Holger Meyerheim erinnert sich, dass „es sehr heraus­fordernd, aber auch sehr spannend war, die Ladungs­dichtewelle in diesem Material zu identifizieren. Wir mussten sehr brillante Röntgen­quellen verwenden, zum Beispiel Synchrotron­strahlung bei der Europäischen Synchrotron­strahlungsquelle, um die sehr schwachen Beugungs­signaturen der Ladungs­dichtewelle zu finden.“ Bei Abkühlung der Probe verursachen starke Elektronen­korrelationen den Übergang des Systems in den Zustand der Ladungs­dichtewelle, was zu einem Übergang von einem topo­logischen Weyl-Halbmetall zu einem Isolator führt. „Wer hätte geglaubt, dass wir eine so ausgefeilte korrelierte Elektronen­physik in einem Material mit einer solchen quasi eindi­mensionalen-Struktur finden würden“, sagt Claudia Felser. 

Diese Arbeit zeigt eine enge Verbindung zwischen Topologie und Korre­lationen und bietet einen Weg zur Beobachtung von Axion-Elektro­dynamik in konden­sierter Materie in einem Regime, das bisher unzugänglich war. Das System (TaSe4)2I ist das erste Beispiel, aber Andrei Bernevig betont: „Unsere Berechnungen der elek­tronischen Strukturen vieler Materialien machen mich sicher, dass es noch viel mehr solcher Systeme geben muss, in denen Korre­lationen und Topologie ineinander­greifen.“ „Diese Materialien eröffnen ein weites Forschungs­gebiet für potenzielle Anwendungen in zukünftigen elektronischen Geräten, das "Topaxtronics!" genannt werden könnte“, prognos­tiziert Stuart Parkin.

MPI CPfS / JOL

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