Fysikere opdager elektronernes topologiske adfærd i 3D-magnetisk materiale

Et internationalt forskerteam ledet af forskere ved Princeton University har fundet ud af, at et magnetisk materiale ved stuetemperatur gør det muligt for elektroner at opføre sig kontraintuitivt, handler kollektivt frem for som enkeltpersoner. Deres kollektive adfærd efterligner masseløse partikler og antipartikler, der sameksisterer på en uventet måde og sammen danner en eksotisk loop-lignende struktur.

Nøglen til denne adfærd er topologi - en gren af ​​matematik, der allerede vides at spille en stærk rolle i diktering af elektroners adfærd i krystaller. Topologiske materialer kan indeholde masseløse partikler i form af lys, eller fotoner. I en topologisk krystal, elektronerne opfører sig ofte som bremset lys endnu, i modsætning til lys, bære elektrisk ladning.

Topologi er sjældent blevet observeret i magnetiske materialer, og fundet af et magnetisk topologisk materiale ved stuetemperatur er et skridt fremad, der kan låse op for nye metoder til at udnytte topologiske materialer til fremtidige teknologiske anvendelser.

"Inden dette arbejde, beviser for de topologiske egenskaber ved magneter i tre dimensioner var ufattelige. Disse nye resultater giver os direkte og afgørende bevis for dette fænomen på mikroskopisk niveau, "sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton, der ledede forskningen. "Dette arbejde åbner et nyt kontinent for efterforskning i topologiske magneter."

Hasan og hans team brugte mere end et årti på at studere kandidatmaterialer i søgen efter en topologisk magnetisk kvantetilstand.

"Fysikken i bulkmagneter er blevet forstået i mange årtier. Et naturligt spørgsmål for os er:Kan magnetiske og topologiske egenskaber tilsammen producere noget nyt i tre dimensioner?" Sagde Hasan.

Der findes tusinder af magnetiske materialer, men de fleste havde ikke de korrekte egenskaber, fandt forskerne. Magneterne var for vanskelige at syntetisere, magnetismen var ikke tilstrækkeligt forstået, den magnetiske struktur var for kompliceret til at modellere teoretisk, eller ingen afgørende eksperimentelle signaturer af topologien kunne observeres.

Så kom et heldigt vendepunkt.

"Efter at have studeret mange magnetiske materialer, vi udførte en måling på en klasse af stuetemperaturmagneter og så uventet signaturer af masseløse elektroner, "sagde Ilya Belopolski, en postdoktor i Hasans laboratorium og medforstifter af undersøgelsen. "Det satte os på vej til opdagelsen af ​​den første tredimensionelle topologiske magnetiske fase."

Den eksotiske magnetiske krystal består af kobolt, mangan og gallium, ordnet på en ordentlig måde, gentagelse af tredimensionelt mønster. For at undersøge materialets topologiske tilstand, forskerne brugte en teknik kaldet vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi. I dette eksperiment, højintensitetslys skinner på prøven, tvinger elektroner til at udsende fra overfladen. Disse udsendte elektroner kan derefter måles, giver information om elektronernes adfærd, når de befandt sig inde i krystallen.

"Det er en ekstremt kraftfuld eksperimentel teknik, som i dette tilfælde gav os mulighed for direkte at observere, at elektronerne i denne magnet opfører sig som om de er masseløse. Disse masseløse elektroner er kendt som Weyl fermioner, "sagde Daniel Sanchez, en Princeton -gæsteforsker og ph.d. studerende ved Københavns Universitet, og en anden medforfatter af undersøgelsen.

En vigtig indsigt kom, da forskerne studerede Weyl fermionerne nærmere og indså, at magneten var vært for en uendelig række af forskellige masseløse elektroner, der har form af en sløjfe, med nogle elektroner, der efterligner egenskaber af partikler og nogle af antipartikler. Elektronernes kollektive kvanteopførsel er blevet betegnet som en magnetisk topologisk Weyl fermion -sløjfe.

"Det er virkelig et eksotisk og nyt system, "sagde Guoqing Chang, en postdoktor i Hasans gruppe og medforstifter af undersøgelsen. "Den kollektive elektronadfærd i disse partikler er ulig noget, vi kender til i vores hverdagsoplevelse - eller endda i oplevelsen af ​​partikelfysikere, der studerer subatomære partikler. Her har vi at gøre med nye partikler, der adlyder forskellige naturlove."

Det viser sig, at en vigtig drivkraft for disse egenskaber er en matematisk størrelse, der beskriver den uendelige række af masseløse elektroner. Forskerne var i stand til at fastslå topologiens rolle ved at observere subtile ændringer i forskellen i adfærd for elektroner, der lever på overfladen af ​​prøven og dybere i dens indre. Teknikken til at demonstrere topologiske mængder gennem kontrasterne mellem overflade- og bulkegenskaber blev banebrydende af Hasans gruppe og bruges til at detektere Weyl fermioner, et fund offentliggjort i 2015. Teamet har for nylig brugt en analog tilgang til at opdage en topologisk kiral krystal, arbejde offentliggjort i tidsskriftet Natur tidligere på året blev det også ledet af Hasans gruppe i Princeton og omfattede Daniel Sanchez, Guoqing Chang og Ilya Belopolski som førende forfattere.

Teoretiske forudsigelser

Forholdet mellem topologi og magnetiske kvanteslyngpartikler blev undersøgt i Hasan -gruppens teoretiske forudsigelser, der blev offentliggjort i oktober 2017 i Fysisk gennemgangsbreve . Imidlertid, gruppens teoretiske interesse for topologiske magneter går meget tidligere tilbage til teoretiske forudsigelser offentliggjort i Naturmaterialer i 2010. Disse teoretiske værker af Hasans gruppe blev finansieret af US Department of Energy's kontor for grundlæggende energifag.

"Dette arbejde repræsenterer kulminationen på omkring et årti med at søge at realisere en topologisk magnetisk kvantefase i tre dimensioner, Sagde Hasan.

I 2016, Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University Professor i fysik, vandt Nobelprisen i fysik for sine teorier om forudsigelse af egenskaber ved et- og todimensionalt topologisk materiale.

Et vigtigt aspekt af resultatet er, at materialet bevarer sin magnetisme op til 400 grader Celsius-langt over stuetemperatur-der opfylder et centralt krav til virkelige teknologiske anvendelser.

"Inden vores arbejde, topologiske magnetiske egenskaber blev typisk observeret, når de tynde filmfilm var ekstremt kolde - en brøkdel af en grad over absolut nul - der krævede specialudstyr blot for at opnå de nødvendige temperaturer. Selv en lille mængde varme ville termisk destabilisere den topologiske magnetiske tilstand, "Sagde Hasan." Kvantemagneten, der studeres her, udviser topologiske egenskaber ved stuetemperatur. "

En topologisk magnet i tre dimensioner afslører kun sine mest eksotiske signaturer på overfladen - elektronbølgefunktioner har form som tromlehoveder. Dette er uden fortilfælde i tidligere kendte magneter og udgør den signalerende signatur af en topologisk magnet. Forskerne observerede sådanne tromlehovedformede elektroniske tilstande i deres data, at levere det afgørende afgørende bevis for, at det er en ny tilstand.

Patrick Lee, William &Emma Rogers professor i fysik ved Massachusetts Institute of Technology, der ikke var involveret i undersøgelsen, kommenterede fundens betydning. "Princeton -gruppen har længe været i spidsen for at opdage nye materialer med topologiske egenskaber, "Sagde Lee." Ved at udvide dette arbejde til en ferromagnetisk stuetemperatur og demonstrere eksistensen af ​​en ny slags tromlehovedoverflade, dette værk åbner et nyt domæne for yderligere opdagelser. "

For at forstå deres resultater, forskerne studerede atomenes placering på overfladen af ​​materialet ved hjælp af flere teknikker, såsom at kontrollere den rigtige form for symmetri ved hjælp af scanningstunnelmikroskopet i Hasans laboratorium for topologisk kvantemateriale og avanceret spektroskopi placeret i kælderen i Princetons Jadwin Hall.

En vigtig bidragyder til fundet var det banebrydende spektroskopiudstyr, der blev brugt til at udføre forsøget. Forskerne brugte en dedikeret fotoemissionsspektroskopi strålelinie, der for nylig blev bygget på Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, en del af SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Californien.

"Lyset, der blev brugt i SLAC -fotoemissionsforsøget, er ekstremt lyst og fokuseret ned til et lille sted med kun flere titalls mikrometer i diameter, "sagde Belopolski." Dette var vigtigt for undersøgelsen. "

Arbejdet blev udført i tæt samarbejde med gruppen af ​​professor Hsin Lin ved Institut for Fysik, Academia Sinica i Taiwan, og professor Claudia Felser ved Max Planck Institute for the Chemical Physics of Faststoffer i Dresden, Tyskland, herunder postdoktor Kaustuv Manna som co-first author.

Drevet af den fristende mulighed for applikationer, forskerne gik et skridt videre og anvendte elektromagnetiske felter på den topologiske magnet for at se, hvordan den ville reagere. De observerede en eksotisk elektromagnetisk reaktion op til stuetemperatur, som direkte kan spores tilbage til elektronerne i kvanteløkken.

"Vi har mange topologiske materialer, men blandt dem har det været svært at vise en klar elektromagnetisk reaktion som følge af topologien, "Tilføjede Hasan." Her har vi kunnet gøre det. Det opretter et helt nyt forskningsfelt for topologiske magneter. "

Studiet, "Opdagelse af topologiske Weyl fermion -linjer og tromlehovedoverfladetilstande i en rumtemperaturmagnet, "af Ilya Belopolski, Kaustuv Manna, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, Benedikt Ernst, Jiaxin Yin, Songtian S. Zhang, Tyler Cochran, Nana Shumiya, Hao Zheng, Bahadur Singh, Guang Bian, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Xiaoting Zhou, Shin-Ming Huang, Baokai Wang, Tay-Rong Chang, Su-Yang Xu, Arun Bansil, Claudia Felser, Hsin Lin og Zahid Hasan optræder i 19. september -udgaven af Videnskab .