Unikke egenskaber ved kvantemateriale forklaret for første gang

Karakteristika for en ny, jernholdig type materiale, der menes at have fremtidige anvendelser inden for nanoteknologi og spintronik, er blevet bestemt på Purdue University.

Det indfødte materiale, en topologisk isolator, er en usædvanlig type tredimensionel (3-D) system, der har den interessante egenskab ikke væsentligt at ændre sin krystalstruktur, når den ændrer elektroniske faser-i modsætning til vand, for eksempel, som går fra is til væske til damp. Vigtigere, materialet har en elektrisk ledende overflade, men en ikke-ledende (isolerende) kerne.

Imidlertid, når jern er indført i det oprindelige materiale, under en proces kaldet doping, visse strukturelle omlægninger og magnetiske egenskaber vises, som er fundet med højtydende beregningsmetoder.

"Disse nye materialer, disse topologiske isolatorer, har tiltrukket en del opmærksomhed, fordi de viser nye tilstande af stof, "sagde Jorge Rodriguez, lektor i fysik og astronomi.

"Tilføjelsen af ​​jernioner introducerer nye magnetiske egenskaber, der giver topologiske isolatorer nye potentielle teknologiske anvendelser, "Rodriguez sagde." Med tilføjelse af magnetiske dopemidler til topologiske isolatorer, såsom jernioner, nye fysiske fænomener forventes som følge af kombinationen af ​​topologiske og magnetiske egenskaber. "

I 2016, tre forskere modtog Nobelprisen i fysik for deres arbejde med beslægtede materialer.

Men for al fascination og løfte om jernholdige topologiske isolatorer, brug af disse materialer i nanoteknologi havde brug for yderligere forståelse for, hvordan deres strukturelle, elektroniske og magnetiske egenskaber fungerer sammen.

Rodriguez sagde, at hans arbejde bruger supercomputere til at forklare Mössbauer -spektroskopi, en teknik, der registrerer meget små strukturelle og elektroniske konfigurationer, at forstå, hvad andre forskere har observeret eksperimentelt på jernsystemer.

"Ved at bruge kvantemekanikkens love i en beregningsmæssig indstilling, vi var i stand til at bruge en modelleringsteknik kaldet densitetsfunktionel teori, som løser kvantemekanikkens grundlæggende ligninger for dette materiale, og vi var i stand til fuldt ud at forklare de eksperimentelle resultater, "Rodriguez sagde." For første gang var vi i stand til at etablere en sammenhæng mellem de eksperimentelle data frembragt af Mössbauer -spektroskopi, og 3D-strukturen af ​​dette materiale. Denne nye forståelse af det topologiske materiale vil gøre det lettere for ingeniører at bruge det i nye applikationer. "

Værket blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B .