Quasi-Symmetrie in CoSi offenbart neue Art von topologischem Material

Symmetrie ist ein Schlüsselkonzept für unser Verständnis der uns umgebenden physikalischen Welt. Die Anordnung selbstähnlicher Komponenten nach den Richtlinien der Symmetrie diktiert ihr kollektives Verhalten. Es ist kein Zufall, dass sich der menschliche Körper in einer spiegelsymmetrischen Form entwickelt hat, wie es in Da Vincis Werk wunderschön dargestellt ist. In ähnlicher Weise diktieren in der Materialwissenschaft bestimmte Symmetrien die Funktionalität eines Materials auf der Quantenebene.

Ein aktueller Schwerpunkt auf diesem Gebiet ist das Verständnis, wie bestimmte Symmetrien zusammenwirken, um grundlegend neue Reaktionen in so genannten topologischen Materialien zu ermöglichen. Diese Materialien weisen unterschiedliche Oberflächen- und Volumeneigenschaften auf, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für künftige Anwendungen in der Quantenelektronik macht.

Seit der Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts (Nobelpreis 1985) ist die Symmetrie das Leitprinzip bei der Suche nach topologischen Materialien. Nun hat ein internationales Forscherteam aus Deutschland, der Schweiz und den USA ein alternatives Leitprinzip, die „Quasi-Symmetrie“, eingeführt, das zur Entdeckung einer neuen Art von topologischem Material mit großem Potenzial für Anwendungen in der Spintronik und der Quantentechnologie führt. Die Arbeit des Teams wurde in Nature Physics veröffentlicht.

Im Gegensatz zu einer echten Symmetrie, die sich gleichmäßig auf das gesamte Objekt auswirkt, beeinflusst die Quasi-Symmetrie selektiv verschiedene Teile des Systems. Ein vereinfachtes Beispiel ist ein unvollständiges Spiegelbild, bei dem einige Teile des Objekts gespiegelt sind, andere jedoch nicht. Theoretisch entspricht dies einem System, das eine exakte Symmetrie aufweist, wenn nur die einfachste Näherung berücksichtigt wird, während zusätzliche Näherungsterme diese Symmetrie aufheben. In der elektronischen Bandstruktur eines Festkörpers erzwingt dies endliche, aber parametrisch kleine Energielücken an einigen Punkten mit niedriger Symmetrie im Impulsraum.

In ihrer neuen Arbeit zeigen die Forscher*innen, dass die Quasi-Symmetrie in dem Halbmetall CoSi winzige Energielücken über eine große, nahezu entartete Ebene stabilisiert. Dies spiegelt sich in der Art und Weise wider, wie die Elektronen durch ein Magnetfeld in eine Kreisbewegung gebogen werden – die so genannte Quantenoszillationen. Die Anwendung von gerichteter Zugkraft in der Ebene bricht die Kristallsymmetrie, wodurch nur an den entsprechenden entarteten Punkte eine Energielücke entsteht, während die durch Quasi-Symmetrie geschützten Punkte intakt bleiben. Diese kann durch magnetische Tunneleffekte beobachtet werden. Diese Ergebnisse zeigen eine der wichtigsten Eigenschaften der Quasi-Symmetrie: Ihre Robustheit gegenüber chemischen und physikalischen Störungen.

Die meisten topologischen Materialien, die in den letzten Jahren entdeckt wurden, erfordern eine präzise Gestaltung ihrer chemischen Zusammensetzung, damit sie für künftige technologische Anwendungen in Frage kommen. Im Gegensatz dazu entfällt bei Quasi-Symmetrien die Notwendigkeit einer solchen Feinabstimmung, da die topologischen Eigenschaften bei jedem beliebigen chemischen Potenzial gefunden werden können. Darüber hinaus sind quasi-symmetriegeschützte topologische Materialien robust gegenüber physikalischen Verformungen, die die kristalline Symmetrie brechen – eine wichtige Voraussetzung für ihre technologische Anwendung mittels Dünnschichtverfahren.

Diese Eigenschaften zeigen eine neue Klasse von topologischen Materialien mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegen Störungen, was ihre technologische Anwendung vereinfacht. Aus Sicht des Forschungsteams stellt dieses erste Beispiel einen wichtigen Schritt zur Entdeckung topologischer Materialien jenseits der üblichen Raumgruppenklassifizierungen dar, was der wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen könnte, nicht zu übersehen, was sich direkt vor ihren Augen befindet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Chunyu Guo, Erstautor: chunyu.guo@epfl.ch

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01604-0

Weitere Informationen:

https://www.mpsd.mpg.de/633655/2022-05-quasisymmetry-guo