Det bedste af to verdener:Magnetisme og Weyl -halvmetaller

Forestil dig en verden, hvor elektricitet kunne strømme gennem nettet uden tab, eller hvor alle data i verden kunne lagres i skyen uden behov for kraftværker. Dette virker utænkeligt, men en vej mod en sådan drøm er åbnet med opdagelsen af ​​en ny familie af materialer med magiske egenskaber.

Disse materialer-magnetiske Weyl-halvmetaller-er medfødt kvante, men bygger bro mellem topologiens og spintronikkens to verdener. Topologiske materialer udviser mærkelige egenskaber, herunder superhurtige elektroner, der rejser uden energitab. På den anden side er magnetiske materialer afgørende for vores hverdag, fra magneter til elbiler til spintronic -enheder på hver harddisk i computere og i skyen. Konceptet med et magnetisk Weyl-halvmetal (WSM) var i luften, men et virkeligt materiale er først lige blevet realiseret af teamet af Claudia Felser, Direktør hos MPI CPfS, Dresden, i to meget forskellige forbindelser - Co ₂ MnGa og Co. ₃ Sn ₂ S ₂ .

For at finde disse ekstraordinære materialer, Felsers team scannede materialedatabasen og kom med en liste over lovende kandidater. Beviset for, at disse materialer er magnetiske WSM'er, blev opnået via elektroniske strukturundersøgelser af Co ₂ MnGa og Co. ₃ Sn ₂ S ₂ . Forskere fra Claudia Felser's gruppe på MPI CPfS og Stuart Parkins team på MPI of Microstructure Physics, Halle, i samarbejde med M. Zahid Hasans team fra Princeton, Yulin Chens team fra Oxford University, og Haim Beidenkopfs team fra Weizmann Institute of Science, har eksperimentelt bekræftet eksistensen af ​​magnetiske Weyl fermioner i disse to materialer i undersøgelser, der blev offentliggjort i tre artikler i Videnskab i dag.

For allerførste gang, ved hjælp af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) og scanning af tunnelmikroskop (STM) eksperimenter, tidsomvendt symmetri brudte WSM-tilstande blev observeret, muliggjort af enkeltkrystaller af høj kvalitet dyrket ved MPI CPfS. "Opdagelsen af ​​magnetiske WSM'er er et stort skridt i retning af realisering af kvantum- og spintroniske effekter ved høje temperaturer. Disse to materialer, der er medlemmer af de meget afstemmelige Heusler og Shandite familier, henholdsvis, er ideelle platforme til forskellige fremtidige applikationer inden for spintronic og magneto-optiske teknologier til datalagring, og informationsbehandling samt applikationer i energiomdannelsessystemer, "siger Stuart Parkin, administrerende direktør for Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle.

De magnetiske topologiske tilstande i Co ₂ MnGa og Co. ₃ Sn ₂ S ₂ spiller en afgørende rolle for oprindelsen af ​​de observerede uregelmæssige kvantetransportvirkninger, på grund af den stærke Berry -krumning, der er forbundet med deres topologiske tilstande. Med Weyl nodal line og nodal point band strukturer, Co ₂ MnGa og Co. ₃ Sn ₂ S ₂ er de eneste to i øjeblikket kendte eksempler på materialer, der er vært for både stor anomal Hall -ledningsevne og anomal Hall -vinkel. "Vores materialer har de naturlige fordele ved høj ordenstemperatur, klar topologisk båndstruktur, lav ladning bærertæthed, og stærk elektromagnetisk reaktion. Designet af et materiale, der udviser en høj temperatur kvanteafvigelig Hall -effekt (QAHE) via kvanteindeslutning af et magnetisk WSM, og dens integration i kvanteenheder er vores næste trin, ”siger Claudia Felser.

Opdagelsen af ​​magnetiske WSM'er er et stort skridt til realiseringen af ​​en rumtemperatur QAHE og er grundlaget for nye energiomdannelsesbegreber "En Quantum Anomalous Hall-effekt muliggør spredningsløs transport via kirale kanttilstande, der er medfødt spin-polariseret." indså Yan Sun med det samme. Realisering af QAHE ved stuetemperatur ville være revolutionerende ved at overvinde begrænsningerne ved mange af nutidens databaserede teknologier, som påvirkes af stort elektronspredningsinduceret effekttab. Dette ville bane vejen for en ny generation af lavenergiforbrugende kvanteelektroniske og spintroniske enheder.