Kagome metal:Fysikere opdager nyt kvanteelektronisk materiale

Et motiv af japansk kurvvævning kendt som kagomemønsteret har optaget fysikere i årtier. Kagome kurve er typisk lavet af strimler af bambus vævet ind i et meget symmetrisk mønster af sammenflettet, hjørnedelte trekanter.

Hvis et metal eller andet ledende materiale kunne få til at ligne et sådant kagomemønster i atomskalaen, med individuelle atomer arrangeret i lignende trekantede mønstre, det skulle i teorien udvise eksotiske elektroniske egenskaber.

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Natur , fysikere fra MIT, Harvard Universitet, og Lawrence Berkeley National Laboratory rapporterer, at de for første gang har produceret et kagome metal - en elektrisk ledende krystal, lavet af lag af jern og tinatomer, med hvert atomlag arrangeret i det gentagne mønster af et kagome gitter.

Da de flyder en strøm over kagome lagene i krystallen, forskerne observerede, at det trekantede arrangement af atomer fremkaldte mærkelige, kvantelignende adfærd i den forbigående strøm. I stedet for at flyde lige igennem gitteret, elektroner i stedet svingede, eller bøjet tilbage inden i gitteret.

Denne adfærd er en tredimensionel fætter til den såkaldte Quantum Hall-effekt, hvor elektroner, der strømmer gennem et todimensionelt materiale, vil udvise en "chiral, topologisk tilstand, "hvor de bøjer sig fast, cirkulære stier og flyder langs kanter uden at miste energi.

"Ved at konstruere kagome-netværket af jern, som i sagens natur er magnetisk, denne eksotiske adfærd vedvarer til stuetemperatur og højere, "siger Joseph Checkelsky, adjunkt i fysik ved MIT. "Ladningerne i krystallen mærker ikke kun magnetfelterne fra disse atomer, men også en rent kvantemekanisk magnetisk kraft fra gitteret. Dette kan føre til perfekt ledning, beslægtet med superledning, i fremtidige generationer af materialer. "

For at undersøge disse fund, holdet målte energispektret inden for krystallen, ved hjælp af en moderne version af en effekt, der først blev opdaget af Heinrich Hertz og forklaret af Einstein, kendt som den fotoelektriske effekt.

"Grundlæggende elektronerne udstødes først fra materialets overflade og detekteres derefter som en funktion af startvinkel og kinetisk energi, "siger Riccardo Comin, en adjunkt i fysik ved MIT. "De resulterende billeder er et meget direkte øjebliksbillede af de elektroniske niveauer optaget af elektroner, og i dette tilfælde afslørede de dannelsen af ​​næsten masseløse 'Dirac' -partikler, en elektrisk ladet version af fotoner, lysets kvante. "

Spektrene afslørede, at elektroner flyder gennem krystallen på en måde, der tyder på, at de oprindeligt masseløse elektroner fik en relativistisk masse, ligner partikler kendt som massive Dirac fermioner. Teoretisk set dette forklares ved tilstedeværelsen af ​​gitterets jern- og tinatomer. Førstnævnte er magnetiske og giver anledning til en "håndethed, "eller kiralitet. Sidstnævnte besidder en tungere atomladning, producerer et stort lokalt elektrisk felt. Når en ekstern strøm løber forbi, det fornemmer tinens felt ikke som et elektrisk felt, men som et magnetisk felt, og bøjer sig væk.

Forskerteamet blev ledet af Checkelsky og Comin, samt kandidatstuderende Linda Ye og Min Gu Kang i samarbejde med Liang Fu, Biedenharn -lektor i fysik, og postdoc Junwei Liu. Holdet inkluderer også Christina Wicker '17, forsker Takehito Suzuki fra MIT, Felix von Cube og David Bell fra Harvard, og Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, og Eli Rotenberg fra Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Ingen alkymi påkrævet"

Fysikere har i årtier teoretiseret, at elektroniske materialer kunne understøtte eksotisk Quantum Hall-adfærd med deres iboende magnetiske karakter og gittergeometri. Det var først for flere år siden, at forskere gjorde fremskridt med at realisere sådanne materialer.

"Samfundet indså, hvorfor ikke lave systemet ud af noget magnetisk, og så kunne systemets iboende magnetisme måske drive denne adfærd, "siger Checkelsky, som dengang arbejdede som forsker ved University of Tokyo.

Dette eliminerede behovet for laboratorieproducerede marker, typisk 1 million gange så stærk som Jordens magnetfelt, nødvendig for at observere denne adfærd.

"Flere forskningsgrupper kunne fremkalde en Quantum Hall -effekt på denne måde, men stadig ved ultrakolde temperaturer et par grader over det absolutte nulpunkt - resultatet af skohorning af magnetisme i et materiale, hvor det ikke forekom naturligt, "Siger Checkelsky.

På MIT, Checkelsky har i stedet ledt efter måder at drive denne adfærd på med "iboende magnetisme". En vigtig indsigt, motiveret af doktorgradsarbejdet af Evelyn Tang PhD '15 og professor Xiao-Gang Wen, skulle søge denne adfærd i kagome gitteret. For at gøre det, første forfatter I slog jern og tin sammen, opvarmede derefter det resulterende pulver i en ovn, producerer krystaller ved omkring 750 grader Celsius - den temperatur, ved hvilken jern- og tinatomer foretrækker at arrangere i et kagome-lignende mønster. Hun nedsænkede derefter krystallerne i et isbad for at gøre det muligt for gittermønstrene at forblive stabile ved stuetemperatur.

"Kagomemønsteret har store tomme rum, der kan være lette at væve i hånden, men er ofte ustabile i krystallinske faste stoffer, der foretrækker den bedste pakning af atomer, "Ye siger." Tricket her var at fylde disse hulrum med en anden type atom i en struktur, der i det mindste var stabil ved høje temperaturer. At indse disse kvantematerialer behøver ikke alkymi, men i stedet materialevidenskab og tålmodighed."

Bøjning og springning mod nul-energitab

Når forskerne først voksede flere prøver af krystaller, hver cirka en millimeter bred, de afleverede prøverne til samarbejdspartnere på Harvard, der afbildede de enkelte atomlag inden for hver krystal ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi. De resulterende billeder afslørede, at arrangementet af jern- og tinatomer i hvert lag lignede de trekantede mønstre af kagome-gitteret. Specifikt, jernatomer var placeret i hjørnerne af hver trekant, mens et enkelt tinatom sad inden for det større sekskantede rum, der blev skabt mellem de sammenflettede trekanter.

Derefter kørte I en elektrisk strøm gennem de krystallinske lag og overvågede deres strømning via elektriske spændinger, de producerede. Hun fandt ud af, at anklagerne afbød på en måde, der virkede todimensionel, trods krystallernes tredimensionelle karakter. Det endelige bevis kom fra fotoelektronforsøgene udført af co-first author Kang, der, i samklang med LBNL -teamet, kunne vise, at de elektroniske spektre svarede til effektivt todimensionelle elektroner.

"Da vi så nøje på de elektroniske bands, vi bemærkede noget usædvanligt, "Tilføjer Kang." Elektronerne i dette magnetiske materiale opførte sig som massive Dirac -partikler, noget, der var forudsagt for længe siden, men aldrig er set før i disse systemer. "

"Dette materialets unikke evne til at sammenflette magnetisme og topologi tyder på, at de meget vel kan fremkalde andre nye fænomener, " siger Comin. "Vores næste mål er at opdage og manipulere kanttilstande, som er selve konsekvensen af ​​den topologiske natur af disse nyopdagede kvanteelektroniske faser."

Ser man videre, holdet undersøger nu måder at stabilisere andre mere meget todimensionale kagome gitterstrukturer. Sådanne materialer, hvis de kan syntetiseres, kunne bruges til at udforske ikke kun enheder med nul energitab, såsom afledningsløse elledninger, men også applikationer til kvanteberegning.

"For nye retninger inden for kvanteinformationsvidenskab er der en voksende interesse for nye kvantekredsløb med veje, der er dissipationsløse og chirale, "Checkelsky siger." Disse kagome metaller tilbyder en ny materialedesignvej til at realisere sådanne nye platforme til kvantekredsløb. "