Ægteskabet mellem topologi og magnetisme i et Weyl -system

Topologi er et globalt aspekt af materialer, hvilket fører til grundlæggende nye egenskaber for forbindelser med store relativistiske effekter. Indarbejdelsen af ​​tunge elementer giver anledning til ikke-trivielle topologiske faser af stof, såsom topologiske isolatorer, Dirac og Weyl semimetaller. Halvmetallerne er kendetegnet ved båndrørende punkter med lineær spredning, ligner masseløse relativistiske partikler inden for højenergifysik.

Symmetriens samspil, relativistiske effekter og, i magnetiske materialer, den magnetiske struktur, muliggør realisering af en lang række topologiske faser gennem Berry -krumningsdesign. Berry -krumningen beskriver sammenfiltring af valens- og ledningsbåndene i en energibåndsstruktur. Weylpunkter og andre topologiske elektroniske bånd kan manipuleres af forskellige eksterne forstyrrelser som magnetfelter og tryk, hvilket resulterer i eksotiske lokale egenskaber, såsom den kirale eller gravitationsanomali og store topologiske Hall -effekter, begreber, der blev udviklet inden for andre fysikområder såsom højenergifysik og astrofysik.

Weyl-halvmetaller kræver brudt inversionskrystal-symmetri eller tidsomvendt symmetri (via magnetisk orden eller et anvendt magnetfelt). Indtil nu, ingen iboende magnetiske Weyl -halvmetaller med Weyl -noder tæt på Fermi -energien er blevet realiseret. I den nylige undersøgelse, forskere fra Max Planck Institute for Chemical Physics of Faststoffer i Dresden, i samarbejde med Technische Universität Dresden, forskere fra Beijing, Princeton, Oxford, og andre fandt bevis for Weyl -fysik i de magnetiske shandites Co. ₃ Sn ₂ S ₂ . Familien af ​​shanditkrystaller indeholder overgangsmetaller på et næsten todimensionalt Kagome-gitter, der kan give anledning til magnetisme. En af de mest interessante er Co ₃ Sn ₂ S ₂ , som har den højeste magnetiske ordenstemperatur inden for denne familie, og hvor de magnetiske øjeblikke på Co -atomerne er justeret i en retning vinkelret på Kagome -planet.

Observationen af ​​den kvanteafvigende Hall -effekt ved stuetemperatur ville muliggøre nye computerteknologier, herunder kvanteberegning. For at realisere denne mulighed, vores strategi er (i) at søge efter kvasi todimensionale magnetiske materialer med topologiske båndstrukturer og (ii) at syntetisere disse materialer som monolag eller meget tynde film. Imidlertid, indtil videre kendes ingen magnetiske materialer, hvilket kunne føre til højere temperatur kvanteafvigende Hall -effekt. For at opnå store Hall -vinkler, nemlig, forholdet mellem hallen og de elektriske ledningsevner, to betingelser skal være opfyldt:for det første en stor Hall -ledningsevne og for det andet et lille antal bærere. Disse betingelser er opfyldt i Weyl-halvmetaller, hvor Weyl-knudepunkterne er tæt på energien til Fermi-energien.

Vi har fundet ud af, at Co ₃ Sn ₂ S ₂ viser en kæmpe afvigende Hall -effekt og en kæmpe hall -vinkel ved temperaturer på op til 150 K, tyder på et Weyl -halvmetal. Efterfølgende båndstrukturberegninger viser faktisk tilstedeværelsen af ​​Weyl -noder tæt på Fermi -energien. I øvrigt, magnetotransportmålinger giver bevis for en chiral anomali, der er en klar signatur af et Weyl -semimetal. Vores arbejde giver en klar vej til observation af en kvanteafvigende hall -effekt ved stuetemperatur ved at udforske familier af magnetiske Weyl -halvmetaller.

Dette studie, for første gang, realiserer de gigantiske anomale Hall -effekter ved hjælp af et magnetisk Weyl -halvmetal, som etablerer den magnetiske Weyl halvmetalkandidat Co ₃ Sn ₂ S ₂ som en nøgleklasse af materialer til grundforskning og applikationer, der forbinder topologisk fysik og spintronik. Med en langtrækkende ferromagnetisme uden for flyet på Kagomé-gittermodellen til platformen for kvantetopologiske tilstande, vi forventer endvidere, at dette materiale er en glimrende kandidat til observation af den kvanteafvigelige Hall-tilstand i den todimensionelle grænse.