Międzynarodowy zespół naukowców, w którym uczestniczył m. in. dr Rajibul Islam z Instytutu Fizyki PAN wykazał, że stany krawędzi schodkowych w α-As, w przeciwieństwie do stanów powierzchniowych lub zawiasowych, nie są oczekiwane ani dla izolatorów topologicznych pierwszego, ani wyższego rzędu osobno, lecz tylko dla materiałów hybrydowych w których obecne są oba odmiany topologii pasm.

Odkrycia nowych faz kwantowych materiałów wykazujących egzotyczne właściwości, takich jak bezstratny transport  przez helikalne kanały krawędziowe, przyciągają zainteresowanie fizyków materii skondensowanej. W artykule opublikowanym ostatnio w Nature pokazujemy złożenie kilku porządków topologicznych, które tworzą odrębną nową fazę nazwaną „hybrydową fazą topologiczną”. Wykorzystując szczegółowe obliczenia ab initio, naukowiec IFPAN Rajibul Islam (ON6.5) we współpracy z grupami eksperymentalnymi z Princeton, Imperial College, Beihang University, Nanyang Technological University, Florida State University i University of Zurich odkrył taką nową fazę kwantową, w elementarnym szarym arsenie (As).

 Topologia i oddziaływania to fundamentalne pojęcia we współczesnym rozumieniu materii kwantowej. Ich połączenie prowadzi wielu ważnych nurtów badań, w tym: konkurencji pomiędzy różnymi formami oddziaływań, jak w przypadku splecionych faz; współdziałania pomiędzy oddziaływaniami i topologią wywołujące zjawiska w skręconych materiałach warstwowych i magnesach topologicznych; oraz koalescencja kilku porządków topologicznych, które generują odrębne nowe fazy. Dwa pierwsze nurty stały się znacznymi obszarami badań, ale trzeci z wymienionych powyżej kierunków pozostaje w dużej mierze niezbadany, głównie ze wzgledu na - do niedawna - brak odpowiedniej platformy materiałowej do badań eksperymentalnych. W naszej pracy, przy użyciu mikroskopii tunelowej, spektroskopii fotoemisyjnej i analizy teoretycznej, odkrywamy „hybrydową” fazę topologiczną materii w prostym ciele stałym, jakim jest arsen. Poprzez szczególną relację pomiędzy objętością, powierzchnią i krawędzią kryształu odkrywamy, że arsen charakteryzuje się złączoną silną i wyższego rzędu topologią, która stabilizuje hybrydową fazę topologiczną. Chociaż pomiary spektroskopowe w przestrzeni pędów pokazują oznaki topologicznych stanów powierzchniowych, pomiary mikroskopowe w przestrzeni rzeczywistej ujawniają niezwykłą geometrię topologicznie indukowanych kanałów przewodzących na krawędziach schodkowych, widocznych na różnych naturalnych nanostrukturach na powierzchni. Przy użyciu modeli teoretycznych wykazujemy, że istnienie bezprzerwowych stanów krawędzi schodkowych w arsenie zależy od jednoczesnej obecności zarówno nietrywialnego silnego wskaźnika Z2, jak i nietrywialnego wyższego rzędu wskaźnika topologicznego,  co  razem z wynikami eksperymentalnymi dostarcza dowodów na hybrydową topologię w kryształach arsenu.