Forskere finder usædvanlig adfærd i topologisk materiale

Argonne-forskere har identificeret en ny klasse af topologiske materialer fremstillet ved at indsætte overgangsmetalatomer i atomgitteret af et velkendt todimensionelt materiale.

I de seneste år, videnskabsmænd er blevet fascineret af en ny type materiale, der viser en slags usædvanlig og splittet adfærd. Disse strukturer, kaldet topologiske materialer, kan demonstrere forskellige egenskaber på deres overflade end i deres bulk. Denne adfærd har tiltrukket sig opmærksomhed fra videnskabsmænd, der er interesseret i nye stoftilstande, og teknologer, der er interesseret i potentielle elektroniske og spintroniske applikationer.

I en ny undersøgelse fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskere har identificeret en ny klasse af topologiske materialer fremstillet ved at indsætte overgangsmetalatomer i atomgitteret af niobiumdiselenid (NbS) ₂ ), et velkendt todimensionalt materiale. De fandt ud af, at CoNb ₃ S ₆ , et antiferromagnetisk materiale, udviser en ekstremt stor anomal Hall-effekt, et tegn på materialers topologiske karakter.

Den almindelige Hall-effekt forekommer i alle elektriske ledere. Effekten er i det væsentlige en kraft, som en elektron oplever, når den bevæger sig gennem et magnetfelt. "I hvert metal, elektroner vil blive skubbet vinkelret på deres kørselsretning og vinkelret på et påført eksternt magnetfelt, skabe en spænding, "sagde Nirmal Ghimire, en adjunkt ved George Mason University og en nylig Argonne -direktørs postdoktor, der var den første forfatter til undersøgelsen. "Hvis selve materialet er en ferromagnet, et ekstra bidrag overlejrer den almindelige Hall -spænding; dette er kendt som den anomaløse Hall -effekt (AHE). "

I undersøgelsen, Ghimire og hans kolleger kiggede på CoNb ₃ S ₆ og fandt noget uventet:en stor AHE i beskedne magnetfelter. "En AHE kan også findes i materialer, hvor den elektroniske struktur har særlige egenskaber kendt som topologiske træk, " sagde Ghimire. "Konfigurationen af ​​atomer i gitteret skaber symmetrier i materialet, der fører til skabelsen af ​​topologiske bånd - energiområder, som elektroner bebor. Det er disse bands, i visse konfigurationer, det kan føre til en usædvanlig stor AHE. "

Baseret på beregninger og målinger, Ghimire og hans kolleger foreslår, at CoNb ₃ S ₆ indeholder disse topologiske bånd.

"De topologiske træk opstår fra en kombination af materialets symmetri, såvel som den rigtige elektronkoncentration til at placere disse topologiske træk på Fermi-niveau, som er den højest tilgængelige elektroniske energitilstand ved nul temperatur, "bemærkede John Mitchell, midlertidig direktør for Argonne's Materials Science division og medforfatter af undersøgelsen.

"Kun en håndfuld materialer har hidtil vist sig at have de nødvendige karakteristiske topologiske punkter nær Fermi -niveau, "Mitchell sagde." For at finde mere kræver en forståelse af både materialets fysik og kemi, der spiller. "

Opdagelsen kan bane vejen for fremtidige fremskridt inden for en bred klasse af materialer, ifølge Mitchell. "Vi har nu en designregel til fremstilling af materialer, der demonstrerer disse egenskaber, "sagde han." CoNb ₃ S ₆ er medlem af en stor klasse af lagdelte todimensionelle materialer, og så dette kan åbne døren til et stort rum af nyt topologisk stof."