Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Få et kig under emhætten på topologiske isolatorer

Det specifikke forhold mellem elektroniske tilstande i en topologisk isolator og momentum fører til en asymmetrisk ophobning af spin, afbildet til højre, hvilket giver anledning til elektrisk strøm til anden orden i et anvendt elektrisk felt E. Kredit:Shulei Zhang / Argonne National Laboratory

Visse materialer, som kobber, lede elektricitet meget godt. Andre materialer, som glas, lade være med. En bestemt slags materiale, kaldet en topologisk isolator, fungerer delvist som den ene og delvist som den anden - den opfører sig som en leder på overfladen og en isolator i dens indre.

På grund af topologiske isolatorers unikke elektroniske egenskaber og deres potentielle anvendelse i spintroniske enheder og endda tænkeligt som transistorer til kvantecomputere, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory er interesserede i at undersøge det særlige forhold mellem to egenskaber ved de ledende overfladeelektroner i disse materialer.

I topologiske isolatorer, spin og momentum for hver overfladeelektron er så tæt bundet, at i videnskabelig sprogbrug, de er låst til hinanden. "Spin-momentum-låsning er som at have en basketball, der skal rotere i en bestemt retning afhængigt af dens bane ned ad banen, "sagde Argonne materialeforsker Olle Heinonen." Fordi en elektron også bærer et magnetisk moment, Du kan bruge spin-momentum-låsning til at manipulere magnetiske systemer meget effektivt. "

Den elektroniske struktur af topologiske isolatorer, herunder detaljerne i spin-momentum-låsning, kan afspejles i elektronernes transportadfærd i materialerne. For at undersøge elektronernes nye adfærd i de topologiske materialer, Argonne -forskere arbejdede med forskere ved National University of Singapore, der udførte et transportforsøg, der gav et nyt perspektiv på den topologisk beskyttede elektroniske struktur.

Heinonen og den tidligere Argonne -postdoktor Shulei Zhang beskrev, hvordan et transportfelt, der påføres i et tyndt lag af en topologisk isolator i transportforsøget, kan skabe en spænding i retningen vinkelret på den påførte elektriske strøm - et fænomen kaldet en ikke -lineær plan hal effekt. Ved at variere magnetfeltets retning og intensitet, Argonne -forskerne og deres kolleger kunne på baggrund af de resulterende modstandsoplysninger konstatere, hvordan elektronerne fordeles i form af deres momenta og spin.

"Hvis du ved, hvordan magnetiske felter, der anvendes i forskellige retninger, ville påvirke den målte ikke -lineære Hall -strøm, du kan bruge vores teoretiske model til at kortlægge, hvordan elektronernes momenta og spins fordeles, "Sagde Zhang." Så, på grund af den måde, vi kan se mere præcist, hvordan de elektromagnetiske felter interagerer med overfladeledningselektronerne, vi kan få meget mere detaljerede oplysninger om overfladeelektronisk struktur af topologiske isolatorer. "

Båndet mellem den ikke-lineære plane Hall-effekt og de topologiske overfladetilstande med spin-momentum-låsning er, ifølge Heinonen, et "makroskopisk-mikroskopisk forhold."

"Det giver os virkelig et kig under emhætten, " han sagde.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Ikke -lineær plan haleffekt, "dukkede op i den 1. juli online udgave af Fysisk gennemgangsbreve .