Quirky respons på magnetisme præsenterer kvantefysisk mysterium

Eftersøgningen fortsætter med at opdage nye tilstande af stof, og muligvis nye metoder til kodning, manipulerende, og transport af information. Et mål er at udnytte materialernes kvanteegenskaber til kommunikation, der går ud over, hvad der er muligt med konventionel elektronik. Topologiske isolatorer - materialer, der hovedsageligt fungerer som isolatorer, men bærer elektrisk strøm over deres overflade - giver nogle spændende muligheder.

"At udforske kompleksiteten af ​​topologiske materialer - sammen med andre spændende nye fænomener som magnetisme og superledelse - er et af de mest spændende og udfordrende fokusområder for materialevidenskabssamfundet ved U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory, "sagde Peter Johnson, en seniorfysiker i Condensed Matter Physics &Materials Science Division i Brookhaven. "Vi forsøger at forstå disse topologiske isolatorer, fordi de har masser af potentielle applikationer, især inden for kvanteinformationsvidenskab, et vigtigt nyt område for divisionen. "

For eksempel, materialer med denne splittede isolator/lederpersonlighed udviser en adskillelse i energisignaturerne af deres overfladeelektroner med modsat "spin". Denne kvanteegenskab kan potentielt udnyttes i "spintronic" -enheder til kodning og transport af information. Går et skridt videre, kobling af disse elektroner med magnetisme kan føre til nye og spændende fænomener.

"Når du har magnetisme nær overfladen, kan du have disse andre eksotiske tilstande af stof, der opstår ved koblingen af ​​den topologiske isolator med magnetismen, "sagde Dan Nevola, en postdoktor, der arbejder med Johnson. "Hvis vi kan finde topologiske isolatorer med deres egen iboende magnetisme, vi burde være i stand til effektivt at transportere elektroner af et bestemt spin i en bestemt retning. "

I en ny undersøgelse, der netop er offentliggjort og fremhævet som en redaktørs forslag i Fysisk gennemgangsbreve , Nevola, Johnson, og deres medforfattere beskriver den sære adfærd hos en sådan magnetisk topologisk isolator. Papiret indeholder eksperimentelle beviser for, at iboende magnetisme i hovedparten af ​​manganbismuttellurid (MnBi2Te4) også strækker sig til elektronerne på dens elektrisk ledende overflade. Tidligere undersøgelser havde været uafklarende om, hvorvidt overflademagnetismen eksisterede eller ej.

Men da fysikerne målte overfladeelektronernes følsomhed over for magnetisme, kun en af ​​to observerede elektroniske tilstande opførte sig som forventet. En anden overfladetilstand, som forventedes at få et større svar, handlet som om magnetismen ikke var der.

"Er magnetismen anderledes i overfladen? Eller er der noget eksotisk, som vi bare ikke forstår?" Sagde Nevola.

Johnson læner sig op ad den eksotiske fysikforklaring:"Dan lavede dette meget omhyggelige eksperiment, hvilket gjorde ham i stand til at se på aktiviteten i overfladeregionen og identificere to forskellige elektroniske tilstande på denne overflade, en, der kan eksistere på enhver metallisk overflade, og en, der afspejler materialets topologiske egenskaber, "sagde han." Førstnævnte var følsom over for magnetismen, hvilket beviser, at magnetismen faktisk findes i overfladen. Imidlertid, den anden, som vi forventede at være mere følsom, havde slet ingen følsomhed. Så, der må være noget eksotisk fysik i gang! "

Målingerne

Forskerne studerede materialet ved hjælp af forskellige former for fotoemissionsspektroskopi, hvor lys fra en ultraviolet laserpuls slår elektroner løs fra materialets overflade og ind i en detektor til måling.

"For et af vores eksperimenter, vi bruger en ekstra infrarød laserpuls til at give prøven et lille spark til at flytte nogle af elektronerne rundt inden målingen, "Forklarede Nevola." Det tager nogle af elektronerne og sparker dem [op i energi] for at blive ledende elektroner. Derefter, i meget, meget korte tidsskalaer - picosekunder - du foretager målingen for at se på, hvordan de elektroniske tilstande har ændret sig som reaktion. "

Kortet over energiniveauerne for de ophidsede elektroner viser to forskellige overfladebånd, der hver viser separate grene, elektroner i hver gren med modsat spin. Begge bands, hver repræsenterer en af ​​de to elektroniske tilstande, forventedes at reagere på tilstedeværelsen af ​​magnetisme.

For at teste, om disse overfladeelektroner faktisk var følsomme over for magnetisme, forskerne afkølede prøven til 25 Kelvin, tillader dens iboende magnetisme at dukke op. Men kun i den ikke-topologiske elektroniske tilstand observerede de et "hul", der åbnede sig i den forventede del af spektret.

"Inden for sådanne huller, elektroner er forbudt at eksistere, og dermed repræsenterer deres forsvinden fra den del af spektret signaturen af ​​hullet, Sagde Nevola.

Observationen af ​​et hul, der optrådte i den normale overfladetilstand, var et definitivt bevis på magnetisk følsomhed - og bevis på, at magnetismen iboende i hovedparten af ​​dette særlige materiale strækker sig til dets overfladeelektroner.

Imidlertid, den "topologiske" elektroniske tilstand, forskerne undersøgte, viste ingen sådan følsomhed over for magnetisme - ingen kløft.

"Det kaster lidt et spørgsmålstegn ind, "Sagde Johnson.

"Det er egenskaber, vi gerne vil kunne forstå og konstruere, Ligesom vi konstruerer egenskaberne af halvledere til en række forskellige teknologier, "Johnson fortsatte.

I spintronics, for eksempel, tanken er at bruge forskellige spin -tilstande til at kode information på den måde, positive og negative elektriske ladninger i øjeblikket bruges i halvlederanordninger til at kode "bit" - 1s og 0s - for computerkode. Men spin-kodede kvantebits, eller qubits, har mange flere mulige stater - ikke kun to. Dette vil i høj grad udvide potentialet til at kode information på nye og kraftfulde måder.

"Alt om magnetiske topologiske isolatorer ser ud til at være rigtige til denne form for teknologisk anvendelse, men dette særlige materiale følger ikke helt reglerne, "Sagde Johnson.

Så nu, mens teamet fortsætter deres søgen efter nye materielle tilstande og yderligere indsigt i kvanteverdenen, der er en ny hastende karakter for at forklare netop dette materialets sære kvanteopførsel.