Magnetisk topologisk isolator laver sit eget magnetfelt

Et team af amerikanske og koreanske fysikere har fundet det første bevis på et todimensionelt materiale, der kan blive en magnetisk topologisk isolator, selvom det ikke er placeret i et magnetfelt.

"Mange forskellige kvante- og relativistiske egenskaber ved elektroner i bevægelse kendes i grafen, og folk har været interesserede, 'Kan vi se disse i magnetiske materialer, der har lignende strukturer?' "Sagde Rice University's Pengcheng Dai, medforfatter af en undersøgelse om materialet, der er offentliggjort i American Physical Society-tidsskriftet PRX . Dai, hvis team omfattede forskere fra Rice, Korea University, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og National Institute of Standards and Technology, sagde chrontriiodid (CrI ₃ ) brugt i den nye undersøgelse "er ligesom honningkagen af ​​grafen, men det er en magnetisk bikage. "

I forsøg med ORNL's Spallation Neutron Source, CrI ₃ prøver blev bombarderet med neutroner. En spektroskopisk analyse taget under testene afslørede tilstedeværelsen af ​​kollektive spin -excitationer kaldet magnoner. Spin, et iboende træk ved alle kvanteobjekter, er en central spiller inden for magnetisme, og magnonerne repræsenterer en bestemt slags kollektiv adfærd af elektroner på chromatomerne.

"Strukturen af ​​denne magnon, hvordan magnetbølgen bevæger sig rundt i dette materiale, ligner ganske, hvordan elektronbølger bevæger sig rundt i grafen, "sagde Dai, professor i fysik og astronomi og medlem af Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Både grafen og CrI3 indeholder Dirac -punkter, som kun findes i de elektroniske båndstrukturer i nogle todimensionelle materialer. Opkaldt efter Paul Dirac, der hjalp med at forene kvantemekanik med generel relativitet i 1920'erne, Dirac -punkter er funktioner, hvor elektroner bevæger sig med relativistiske hastigheder og opfører sig som om de har nul masse. Diracs arbejde spillede en kritisk rolle i fysikernes forståelse af både elektronspin og elektronadfærd i 2-D topologiske isolatorer, bizarre materialer, der tiltrak Nobelprisen i fysik i 2016.

Elektroner kan ikke strømme gennem topologiske isolatorer, men kan lynes rundt om deres endimensionelle kanter på "edge-mode" superveje. Materialerne henter deres navn fra en gren af ​​matematik kendt som topologi, som 2016-nobelisten Duncan Haldane plejede at forklare kantmodus-ledning i et skelsættende papir fra 1988, der havde en 2-D bikakemodel med en struktur, der bemærkelsesværdigt lignede grafen og CrI ₃ .

"Dirac -punktet er, hvor elektroner bevæger sig ligesom fotoner, med nul effektiv masse, og hvis de bevæger sig langs de topologiske kanter, der vil ikke være modstand, "sagde studieforfatter Jae-Ho Chung, en gæsteprofessor ved Rice og professor i fysik ved Korea University i Seoul, Sydkorea. "Det er det vigtige punkt for spintroniske applikationer uden spredning."

Spintronics er en voksende bevægelse inden for solid state elektronik-samfundet for at skabe spin-baserede teknologier til beregning, kommunikation og informationslagring og mere. Topologiske isolatorer med magnon -kanttilstande ville have en fordel i forhold til dem med elektroniske kanttilstande, fordi de magnetiske versioner ikke ville producere varme, Sagde Chung.

Strengt taget, magnoner er ikke partikler, men kvasipartikler, kollektive ophidselser, der opstår fra adfærden hos en lang række andre partikler. En analogi ville være "bølgen", som folkemængder undertiden udfører på sportsstadioner. Ser man på en enkelt fan, man ville simpelthen se en person med jævne mellemrum stå, løfter armene og sætter sig ned igen. Kun ved at se på hele mængden kan man se "bølgen".

"Hvis du kun ser på ét elektron -spin, det ser ud til at være tilfældigt vibrerende, "Sagde Chung." Men ifølge principperne for solid-state fysik, denne tilsyneladende tilfældige vakling består af nøjagtige bølger, veldefinerede bølger. Og det er ligegyldigt, hvor mange bølger du har, kun en bestemt bølge vil opføre sig som en foton. Det er det, der sker omkring det såkaldte Dirac-punkt. Alt andet er bare en simpel spin-wave. Kun omkring dette Dirac -punkt vil magnonen opføre sig som en foton. "

Dai sagde beviserne for topologiske spin -excitationer i CrI ₃ er særligt spændende, fordi det er første gang, at sådanne beviser er set uden anvendelse af et eksternt magnetfelt.

"Der var tidligere et papir, hvor noget lignende blev observeret ved at anvende et magnetfelt, men vores var den første observation i nul -feltet, "sagde han." Vi tror, ​​at dette er fordi materialet har et indre magnetfelt, der gør det muligt for dette at ske. "

Dai og Chung sagde, at det indre magnetfelt stammer fra elektroner, der bevæger sig med nær relativistiske hastigheder i nærheden af ​​protonerne i kernerne i chrom- og jodatomer.

"Disse elektroner bevæger sig selv, men på grund af relativitet, i deres referenceramme, de føler ikke at de bevæger sig, "Sagde Dai." De står bare der, og deres omgivelser bevæger sig meget hurtigt. "

Chung sagde, "Denne bevægelse mærker faktisk de omgivende positive ladninger som en strøm, der bevæger sig rundt om den, og det, koblet til elektronens spin, skaber magnetfeltet. "

Dai sagde, at testene på ORNL involverede afkøling af CrI ₃ prøver til under 60 Kelvin og bombardere dem med neutroner, som også har magnetiske øjeblikke. Neutroner, der passerede tæt nok på en elektron i prøven, kunne derefter ophidse spin-bølge-excitationer, der kunne aflæses med et spektrometer.

"Vi målte, hvordan spinbølgen formerer sig, "sagde han." Grundlæggende når du vrider dette ene spin, hvor meget reagerer de andre spins. "

For at sikre, at neutroner ville interagere i tilstrækkeligt antal med prøverne, Risstuderende og studielederforfatter Lebing Chen brugte tre måneder på at perfektionere en opskrift på at producere flade ark med CrI ₃ i en høj temperatur ovn. Tilberedningstiden for hver prøve var ca. 10 dage, og kontrol af temperaturvariationer i ovnen viste sig at være kritisk. Efter at opskriften var perfektioneret, Chen måtte derefter omhyggeligt stable, juster og lim sammen 40 lag af materialet. Fordi sekskanterne i hvert lag skulle være præcist justeret, og justeringen kunne kun bekræftes med Laue røntgendiffraktion, hver lille justering kan tage en time eller mere.

"Vi har ikke bevist, at topologisk transport er der, "Sagde Dai." I kraft af at have de spektre, vi har, vi kan nu sige, at det er muligt at have denne kanttilstand, men vi har ikke vist, at der er en kanttilstand. "

Forskerne sagde, at magnontransportforsøg vil være nødvendige for at bevise, at kantfunktionen eksisterer, og de håber, at deres fund opmuntrer andre grupper til at prøve disse eksperimenter.