Når Dirac møder frustreret magnetisme

Områderne for kondenseret stoffysik og materialevidenskab er tæt forbundet, fordi ny fysik ofte opdages i materialer med specielle arrangementer af atomer. Krystaller, som har gentagne enheder af atomer i rummet, kan have specielle mønstre, som resulterer i eksotiske fysiske egenskaber. Særligt spændende er materialer, der er vært for flere typer eksotiske egenskaber, fordi de giver forskere mulighed for at studere, hvordan disse egenskaber interagerer med og påvirker hinanden. Kombinationerne kan give anledning til uventede fænomener og give årevis af grundforskning og teknologisk forskning.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Videnskabens fremskridt denne uge, et internationalt hold af forskere fra USA, Columbia, Tjekkiet, England, og ledet af Dr. Mazhar N. Ali ved Max Planck Institute of Microstructure Physics i Tyskland, har vist, at et nyt materiale, KV ₃ Sb ₅ , har en aldrig set-før-kombination af egenskaber, der resulterer i en af ​​de største anomale Hall-effekter (AHE'er), der nogensinde er observeret; 15, 500 siemens per centimeter ved 2 Kelvin.

Opdaget i laboratoriet af medforfatter prof. Tyrel McQueen ved Johns Hopkins University, KV ₃ Sb ₅ kombinerer fire egenskaber i ét materiale:Dirac fysik, metallisk frustreret magnetisme, 2-D eksfolierbarhed (som grafen), og kemisk stabilitet.

Dirac fysik, i denne sammenhæng, relaterer sig til, at elektronerne i KV ₃ Sb ₅ er ikke kun dine normale almindelige elektroner; de bevæger sig ekstremt hurtigt med meget lav effektiv masse. Det betyder, at de opfører sig 'lys-agtigt'; deres hastigheder er ved at blive sammenlignelige med lysets hastighed, og de opfører sig, som om de kun har en lille brøkdel af den masse, de burde have. Dette resulterer i, at materialet er meget metallisk og blev først vist i grafen for omkring 15 år siden.

Den 'frustrerede magnetisme' opstår, når de magnetiske momenter i et materiale (forestil dig små stangmagneter, som forsøger at dreje hinanden og stiller sig op ad nord til syd, når du bringer dem sammen) er arrangeret i specielle geometrier, som trekantede net. Dette scenarie kan gøre det svært for stangmagneterne at stille op på en måde, så de alle ophæver hinanden og er stabile. Materialer, der udviser denne egenskab, er sjældne, især metalliske. De fleste frustrerede magnetmaterialer er elektriske isolatorer, hvilket betyder, at deres elektroner er immobile. "Metalliske frustrerede magneter har været meget eftertragtede i flere årtier. De er blevet forudsagt at huse ukonventionel superledning, Majorana fermioner, være nyttig til kvanteberegning, og mere, " kommenterede Dr. Ali.

Strukturelt set, KV ₃ Sb ₅ har en 2-D, lagdelt struktur, hvor trekantede vanadium- og antimonlag stables løst oven på kaliumlag. Dette gjorde det muligt for forfatterne blot at bruge tape til at pille et par lag (a.k.a. flager) af ad gangen. "Dette var meget vigtigt, fordi det gav os mulighed for at bruge elektronstrålelitografi (som fotolitografi, der bruges til at lave computerchips, men ved at bruge elektroner i stedet for fotoner) til at lave små enheder ud af flagerne og måle egenskaber, som folk ikke let kan måle i bulk." bemærkede hovedforfatter Shuo-Ying Yang, fra Max Planck Institute of Microstructure Physics. "Vi var glade for at opdage, at flagerne var ret stabile i forhold til fremstillingsprocessen, hvilket gør det relativt nemt at arbejde med og udforske masser af egenskaber".

Bevæbnet med denne kombination af egenskaber, holdet valgte først at lede efter en anomal Hall-effekt (AHE) i materialet. Dette fænomen er, hvor elektroner i et materiale med et påført elektrisk felt (men intet magnetfelt) kan blive afbøjet 90 grader af forskellige mekanismer. "Det var blevet teoretiseret, at metaller med trekantede spin-arrangementer kunne være vært for en betydelig ydre effekt, så det var et godt sted at starte, " bemærkede Yang. Ved hjælp af vinkelopløst fotoelektronspektroskopi, fremstilling af mikroenheder, og et lavtemperatur elektronisk egenskabsmålesystem, Shuo-Ying og co-lead forfatter Yaojia Wang (Max Planck Institute of Microstructure Physics) var i stand til at observere en af ​​de største AHE'er nogensinde set.

AHE kan opdeles i to generelle kategorier:indre og ydre. "Den iboende mekanisme er som hvis en fodboldspiller lavede en aflevering til deres holdkammerat ved at bøje bolden, eller elektron, omkring nogle forsvarere (uden at det kolliderer med dem), " forklarede Ali. "Extrinsic er som bolden, der hopper af en forsvarsspiller, eller magnetisk spredningscenter, og går til siden efter kollisionen. Mange ydre dominerede materialer har et tilfældigt arrangement af forsvarere på banen, eller magnetiske spredningscentre tilfældigt fortyndet i hele krystallen. KV ₃ Sb ₅ er speciel ved, at den har grupper af 3 magnetiske spredningscentre arrangeret i et trekantet net. I dette scenarie, bolden spredes fra klyngen af ​​forsvarsspillere, snarere end en enkelt, og er mere tilbøjelige til at gå til siden, end hvis kun én var i vejen."

Dette er i det væsentlige den teoretiserede spin-cluster skew spredning AHE mekanisme, som blev demonstreret af forfatterne i dette materiale. "Men den tilstand, hvormed den indkommende bold rammer klyngen, ser ud til at have betydning; du eller jeg sparker bolden er ikke det samme, som om, sige, Christiano Ronaldo sparkede bolden, " tilføjede Ali. "Når Ronaldo sparker den, den bevæger sig meget hurtigere og hopper ud af klyngen med meget større hastighed, bevægede sig hurtigere til siden, end hvis bare en almindelig person havde sparket den. Dette er, løst sagt, forskellen mellem Dirac-kvasipartiklerne (Ronaldo) i dette materiale vs normale elektroner (gennemsnitsperson) og er relateret til, hvorfor vi ser så stor en AHE, " forklarede Ali grinende.

Disse resultater kan også hjælpe forskere med at identificere andre materialer med denne kombination af ingredienser. "Vigtigt, den samme fysik, der styrer denne AHE, kunne også drive en meget stor spin Hall-effekt (SHE) - hvor i stedet for at generere en ortogonal ladestrøm, der genereres en ortogonal spinstrøm, " bemærkede Wang. "Dette er vigtigt for næste generations computerteknologier baseret på en elektrons spin snarere end dens ladning".

"Dette er et nyt legepladsmateriale for os:metallisk Dirac-fysik, frustreret magnetisme, eksfolierende, og kemisk stabil alt i én. Der er mange muligheder for at udforske sjov, mærkelige fænomener, som ukonventionel superledning og mere, " sagde Ali, spændt.