Ny klasse af materialer viser mærkelige elektronegenskaber

En metode til at observere en ny klasse af topologiske materialer, kaldet Weyl halvmetaller, blev udviklet af forskere ved Penn State, MIT, Tohoku Universitet, Japan og det indonesiske videnskabsinstitut. Materialets usædvanlige elektroniske egenskaber kan være nyttige i fremtidens elektronik og kvantefysik.

"Weyl-halvmetaller er interessante, fordi deres elektrontransport viser en usædvanlig adfærd, " siger Shengxi Huang, adjunkt i elektroteknik, Penn State. "For eksempel, de kan vise negativ magnetomodstand, hvilket betyder, at når du anvender et magnetfelt, modstanden falder. Med mange konventionelle materialer, det stiger."

I Weyl-halvmetaller, den elektroniske båndstruktur er forskellig fra normal. Elektronerne har chiralitet, betyder "håndhævelse". Kiraliteten er forbundet med elektronernes spin og rejseretning. Elektroner med venstre chiralitet bevæger sig i den modsatte retning af deres spin, mens elektroner med højre chiralitet bevæger sig i samme retning af deres spin.

"Normalt, et materiale ville have en form for bevaring, for eksempel, ladningsneutralitetsbevarelse - hvilket betyder, at hvis du havde et vist antal negative ladninger, ville du have det samme antal positive ladninger, " ifølge Kunyan Zhang, Huangs kandidatstuderende og hovedforfatter på et papir i tidsskriftet Fysisk gennemgang B . "På samme måde du vil også normalt have det samme antal højrehåndede elektroner som venstrehåndede. Men dette er ikke tilfældet i dette materiale, og det ser ud til at booste nye elektrontransportegenskaber."

Holdet besluttede at bruge lys til at studere elektronernes ejendommelige opførsel, fordi det er nemt at bruge og lettere end at bygge sofistikerede enheder. Lyset interagerer med elektronerne og også med gitteret, får atomerne til at vibrere, skabe fononer. Fononerne og elektronerne interagerer, og Raman-signalerne - forskellen mellem laseren og det spredte lys - kan vise elektronernes usædvanlige opførsel.

Hovedresultatet af forskernes arbejde er at vise, at materialets symmetri er brudt. I princippet, dette krystallinske materiale skal have firedobbelt symmetri, hvilket betyder, at når krystallen drejes 90 grader er egenskaben nøjagtig den samme. Imidlertid, i dette studie, hvis Weyl-halvmetallet drejes 90 grader, der er en afvigelse fra symmetri.

Ud over, dette materiale skulle vise tre toppe i Raman-spektret, men i én excitation på 633 nanometer – rødt lys mangler én top. Det er ejendommeligt, ifølge forskerne. Forklaringen ligger i båndstrukturen af ​​Weyl semimetal. Når elektroner interagerer med lys, de absorberer nok energi til at hoppe til en højere tilstand. I Weyl-halvmetaller, der er mange højere tilstande meget tæt på hinanden. Interaktionen mellem elektronerne, der hopper til to tilstødende bånd, kan bryde symmetrien.

I denne type materiale, elektronerne kan flyde uden tilbagespredning under visse forhold, gør det til en god platform for fremtidens elektronik. Der er også en forbindelse til kvanteberegning, da et materiale, der ikke spredes, har potentialet til at blive brugt i kvante-qubits.

"Vi giver fællesskabet en enkel metode til at forstå dette materiales elektroniske adfærd, " Huang konkluderede. "Og denne metode kan generaliseres."

Næste, holdet vil forsøge at studere fonon/elektron-interaktioner ved en reduceret temperatur, under 10 Kelvin, hvor adfærden burde være helt anderledes.