Forskere opdager en topologisk magnet, der udviser eksotiske kvanteeffekter

Et internationalt team ledet af forskere ved Princeton University har afdækket en ny klasse af magnet, der udviser nye kvanteeffekter, der strækker sig til stuetemperatur.

Forskerne opdagede en kvantiseret topologisk fase i en uberørt magnet. Deres fund giver indsigt i en 30-årig teori om, hvordan elektroner spontant kvantificerer og demonstrerer en principiel metode til at opdage nye topologiske magneter. Kvantemagneter er lovende platforme til dissipationsfri strøm, høj lagerkapacitet og fremtidige grønne teknologier. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Natur denne uge.

Opdagelsens rødder ligger i virkningerne af quantum Hall-effekten- en form for topologisk effekt, som var genstand for Nobelprisen i fysik i 1985. Dette var første gang, at en gren af ​​teoretisk matematik, kaldet topologi, ville begynde at ændre fundamentalt, hvordan vi beskriver og klassificerer materie, der udgør verden omkring os. Lige siden, topologiske faser er blevet intensivt studeret inden for videnskab og teknik. Mange nye klasser af kvantematerialer med topologiske elektroniske strukturer er fundet, herunder topologiske isolatorer og Weyl -halvmetaller. Imidlertid, mens nogle af de mest spændende teoretiske ideer kræver magnetisme, de fleste undersøgte materialer har været ikke -magnetiske og viser ingen kvantisering, efterlader mange spændende muligheder uopfyldte.

"Opdagelsen af ​​et magnetisk topologisk materiale med kvantiseret adfærd er et stort skridt fremad, der kan låse op for nye horisonter i udnyttelse af kvantetopologi til fremtidig grundlæggende fysik og næste generations apparatforskning," sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University, der ledede forskergruppen.

Mens eksperimentelle opdagelser hurtigt blev gjort, teoretisk fysik udmærkede sig ved at udvikle ideer, der førte til nye målinger. Vigtige teoretiske begreber om 2-D topologiske isolatorer blev fremsat i 1988 af F. Duncan Haldane, Thomas D. Jones professor i matematisk fysik og Sherman Fairchild University professor i fysik i Princeton, der i 2016 fik Nobelprisen i fysik for teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof. Efterfølgende teoretiske udviklinger viste, at topologisk isolator-hosting magnetisme i et særligt atomarrangement kendt som et kagome gitter kan være vært for nogle af de mest bizarre kvanteeffekter.

Hasan og hans team har været på jagt efter et årti efter en topologisk magnetisk kvantetilstand, der også kan fungere ved stuetemperatur siden deres opdagelse af de første eksempler på tredimensionelle topologiske isolatorer. For nylig, de fandt en materialeløsning til Haldanes formodning i en kagome gittermagnet, der er i stand til at fungere ved stuetemperatur, som også udviser den meget ønskede kvantisering. "Kagome-gitteret kan designes til at besidde relativistiske båndkrydsninger og stærke elektron-elektron-interaktioner. Begge er afgørende for ny magnetisme. Derfor er vi indså, at kagomemagneter er et lovende system til at søge efter topologiske magnetfaser, da de er som de topologiske isolatorer, som vi studerede før, sagde Hasan.

I så lang tid, direkte materiale og eksperimentel visualisering af dette fænomen er forblevet undvigende. Teamet fandt ud af, at de fleste af kagomemagneterne var for svære at syntetisere, magnetismen var ikke tilstrækkeligt forstået, ingen afgørende eksperimentelle signaturer af topologien eller kvantisering kunne observeres, eller de fungerer kun ved meget lave temperaturer.

"En passende atomkemi og magnetisk konstruktion, der er koblet til teorien om første principper, er det afgørende skridt for at gøre Duncan Haldanes spekulative forudsigelse realistisk i omgivelser med høj temperatur, "sagde Hasan." Der er hundredvis af kagomemagneter, og vi har brug for både intuition, erfaring, materialespecifikke beregninger, og intense eksperimentelle bestræbelser på i sidste ende at finde det rigtige materiale til dybdegående udforskning. Og det tog os med på en årti lang rejse. "

Gennem flere års intens forskning om flere familier af topologiske magneter (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Fys. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 (2020), Fys. Lett. 125, 046401 (2020)), holdet indså gradvist, at et materiale lavet af grundstofferne terbium, mangan og tin (TbMn6Sn6) har den ideelle krystalstruktur med kemisk uberørt, kvantemekaniske egenskaber og rumligt adskilte kagome gitterlag. I øvrigt, den har unikt en stærk magnetisering uden for planet. Med denne ideelle kagomemagnet med succes syntetiseret på det store enkeltkrystalniveau af samarbejdspartnere fra Shuang Jias gruppe ved Peking University, Hasans gruppe begyndte systematiske state-of-the-art målinger for at kontrollere, om krystallerne er topologiske og, vigtigere, har den ønskede eksotiske kvantemagnetiske tilstand.

Princeton -forskergruppen brugte en avanceret teknik kendt som scanning af tunnelmikroskopi, som er i stand til at sondere elektroniske og spin-bølgefunktioner af et materiale i subatomær skala med sub-millivolt energiopløsning. Under disse finjusterede forhold, forskerne identificerede de magnetiske kagome gitteratomer i krystallen, fund, der yderligere blev bekræftet af topmoderne vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi med momentumopløsning.

"Den første overraskelse var, at det magnetiske kagomegitter i dette materiale er super rent i vores scanningstunnelmikroskopi, "sagde Songtian Sonia Zhang, en medforfatter af undersøgelsen, der fik sin ph.d. i Princeton tidligere på året. "Den eksperimentelle visualisering af et sådant defektfrit magnetisk kagomegitter giver en hidtil uset mulighed for at udforske dets iboende topologiske kvanteegenskaber."

Det virkelige magiske øjeblik var, da forskerne tændte et magnetfelt. De fandt ud af, at de elektroniske tilstande i kagome gitter modulerer dramatisk, danne kvantiserede energiniveauer på en måde, der er i overensstemmelse med Dirac -topologi. Ved gradvist at hæve magnetfeltet til 9 Tesla, som er hundredtusinder af gange højere end jordens magnetfelt, de kortlagde systematisk den komplette kvantisering af denne magnet. "Det er yderst sjældent-der er ikke fundet endnu-at finde et topologisk magnetisk system med det kvantiserede diagram. Det kræver et næsten defektfrit magnetisk materialedesign, finjusteret teori og banebrydende spektroskopiske målinger "sagde Nana Shumiya, en kandidatstuderende og medforfatter af undersøgelsen.

Det kvantiserede diagram, som holdet målte, giver præcise oplysninger, der afslører, at den elektroniske fase matcher en variant af Haldane -modellen. Det bekræfter, at krystallen har en spin-polariseret Dirac-dispersion med et stort Chern-hul, som forventet af teorien for topologiske magneter. Imidlertid, en brik i puslespillet manglede stadig. "Hvis dette virkelig er et Chern -hul, derefter baseret på det grundlæggende topologiske bulkgrænseprincip, vi bør observere kirale (envejs) tilstande ved kanten af ​​krystallen, Sagde Hasan.

Det sidste stykke faldt på plads, da forskerne scannede grænsen eller kanten af ​​magneten. De fandt en klar signatur af en kanttilstand kun inden for Chern -energigabet. Formerer sig langs siden af ​​krystallen uden tilsyneladende spredning (hvilket afslører dens spredningsløse karakter), staten blev bekræftet at være den kirale topologiske kanttilstand. Billeddannelse af denne tilstand var uden fortilfælde i enhver tidligere undersøgelse af topologiske magneter.

Forskerne brugte yderligere andre værktøjer til at kontrollere og genbekræfte deres fund af Chern gapped Dirac fermions, herunder elektriske transportmålinger af afvigende Hall -skalering, vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi af Dirac-dispersionen i momentumrum, og første-princip-beregninger af den topologiske orden i materialefamilien. Dataene gav et komplet spektrum af indbyrdes forbundne beviser, der alle pegede på realiseringen af ​​en kvantegrænse Chern-fase i denne kagomemagnet. "Alle stykker passer sammen i en lærebog, der demonstrerer fysikken i Tjern-gappede magnetiske Dirac fermioner, "sagde Tyler A. Cochran, en kandidatstuderende og medforstifter af undersøgelsen.

Nu skifter gruppens teoretiske og eksperimentelle fokus til snesevis af forbindelser med lignende strukturer som TbMn6Sn6, der er vært for kagome gitter med en række forskellige magnetiske strukturer, hver med sin individuelle kvantetopologi. "Vores eksperimentelle visualisering af kvantegrænsen Chern-fasen demonstrerer en principiel metode til at opdage nye topologiske magneter, "sagde Jia-Xin Yin, en senior postdoktorforsker og en anden medforstifter af undersøgelsen.

"Dette er som at opdage vand på en exoplanet - det åbner en ny grænse for topologisk kvantematerialeundersøgelse, som vores laboratorium i Princeton er blevet optimeret til, Sagde Hasan.