Серое олово ведет себя подобно трехмерному графену

Прикладывая механическое усилие к определенной модификации олова, исследователи заставили его вести себя подобно 3D-аналогу графена. Такое свойство демонстрирует неметаллическое олово с алмазоподобной кубической кристаллической решеткой, также называемое серое олово или α-олово. Статья китайских физиков опубликована в журнале Physical Review Letters.

Редкий класс материалов, называемый топологическими дираковскими полуметаллами (TDS — topological Dirac semimetal), обладает электронными свойствами, подобными графену, но в трех, а не в двух измерениях. Все известные до сих пор TDS состояли из различных элементов, однако новая работа выявила свойства TDS у неметаллической формы чистого олова. Цай-Чжи Сюй из Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейне и коллеги показывают, что, меняя прилагаемое к олову механическое напряжение, можно контролировать появление свойств TDS.

В графене и подобных ему материалах электронная зонная структура содержит конусообразные области, вокруг которых электронные состояния ведут себя как эффективно безмассовые. Эти состояния, называемые фермионами Дирака, как правило, ограничены двумя измерениями, будь это графен или поверхность топологического изолятора. Но в TDS фермионы Дирака могут двигаться во всех трех измерениях. Эта свобода открывает целый ряд интересных свойств, таких как гигантское линейное магнитосопротивление и уникальная структура квантовых осцилляций сопротивления. В предыдущих работах определили только два соединения из класса TDS: Na₃Bi и Cd₃As₂.

Недавние исследования неметаллической формы олова показали, что под воздействием деформации в нем могут проявиться фермионы Дирака. Чтобы изучить это, ученые вырастили слои α-олова на субстрате из антимонида индия (InSb, соединение индия и сурьмы), который имеет почти такую же алмазоподобную структуру решетки, что и серое олово. Небольшое рассогласование в периодах решеток вызывает отрицательную напряжение (сжатие) в олове. Применяя к образцу фотоэмиссионную спектроскопию, команда определила конусообразные области, которые указывают на TDS. Теоретические расчеты показали, что изменение напряжения с отрицательного на положительное должно переключать олово из TDS-состояния в топологический изолятор.