Nye topologiske egenskaber fundet i gammelt materiale af koboltdisulfid

At lede et samarbejde mellem institutioner i USA og i udlandet, Princeton University Department of Chemistry rapporterer nye topologiske egenskaber af den magnetiske pyrit Cobalt disulfide (CoS) ₂ ), der udvider vores forståelse af elektriske kanaler i dette længe undersøgte materiale.

Ved hjælp af vinkelopløst fotoelektronspektroskopi og ab-initio beregninger, forskere, der arbejder med Schoop Lab, opdagede tilstedeværelsen af ​​Weyl -noder i bulk CoS2, der giver dem mulighed for at forudsige sine overfladeegenskaber. Materialet er vært for Weyl-fermioner og Fermi-bue overfladetilstande inden for dets båndstruktur, hvilket kan gøre det muligt for det at tjene som en platform for eksotiske fænomener og placerer det blandt materialekandidater til brug i spintroniske enheder.

Forskningen afgør også en langvarig debat, beviser, at CoS ₂ er ikke et ægte halvmetal. Et halvmetal er ethvert stof, der fungerer som en leder til elektroner med en spin-orientering, men som en isolator eller halvleder til dem med den modsatte orientering. Selvom alle halvmetaller er ferromagnetiske, de fleste ferromagneter er ikke halvmetaller. Denne konstatering, at CoS ₂ er ikke et halvmetal har vigtige implikationer for materialer og enhedsteknik.

Leslie Schoop, assisterende professor i kemi ved Princeton Chemistry, kaldte værket "en genopdagelse af ny fysik i et gammelt materiale." Undersøgelsen blev offentliggjort i denne uge i Videnskab fremskridt .

CoS ₂ har været genstand for undersøgelse i mange årtier på grund af dens omrejsende magnetisme, og siden begyndelsen af ​​2000'erne - før topologiske isolatorer blev forudsagt og opdaget - på grund af dets potentiale til at være et halvmetal. Forskere var "glade" for at lade sidstnævnte diskussion hvile.

Gennem Schoop-forskningen, materialet blev opdaget som et sjældent eksempel på den gruppe af magnetiske topologiske metaller, der blev foreslået som midler til ladning-til-spin-konvertering. Ved at adskille massen og overfladens elektroniske struktur af CoS ₂ , forskere har påvist, at der er en sammenhæng mellem elektroniske kanaler i det indre materiale, som kan forudsige andre tilstande på dets overflade. I et materiale, en elektrisk strøm kan gå gennem bulken eller strømme langs overfladen. Forskere fandt ud af, at bulk CoS ₂ indeholder objekter kaldet Weyl-knuder i sin struktur, der fungerer som elektroniske kanaler, der kan forudsige andre tilstande ved overfladen.

"Den smukke fysik her er, at du har disse Weyl-noder, der kræver spin-polariserede overfladetilstande. Disse kan høstes til spintroniske applikationer, "sagde Schoop.

"Disse elektroniske tilstande, der kun eksisterer ved overfladen, har chiralitet forbundet med dem, og på grund af den chiralitet kan elektronerne også kun bevæge sig i bestemte retninger, " tilføjede hun. "Nogle mennesker tænker på at bruge disse chirale tilstande i andre applikationer. Der er ikke mange magnetiske materialer, hvor disse er blevet fundet før."

Chiralitet refererer til den egenskab, der gør et objekt eller et system umuligt at skelne fra dets spejlbillede - dvs. kan ikke overlejres - og er en vigtig egenskab i mange grene af videnskaben.

Schoop tilføjede, at de elektroniske kanaler er polariserede. Denne magnetisme kan potentielt bruges til at manipulere materialet:Forskere kan skifte magnetiseringsretningen, og overfladetilstande kan derefter rekonfigureres som en reaktion på dette påførte magnetfelt.

Paper medforfatter Maia Vergniory, af Donostia International Physics Center i Spanien, tilføjet, "Der er kun meget få magnetiske materialer, der er blevet målt til at have sådanne overfladetilstande, eller Fermi-buer, og dette er som den fjerde, ret? Så, Det er virkelig fantastisk, at vi faktisk kunne måle og forstå spinchannels i et materiale, der var kendt så længe. "

Som kolleger i 2016, Schoop og Vergniory diskuterede undersøgelse af CoS' materialeegenskaber ₂ , især om det kunne klassificeres som et ægte halvmetal. Undersøgelsen gik igennem flere gentagelser efter Schoop ankom til Princeton i 2017, og blev arbejdet på af kandidatstuderende under Schoop og under Vergniory ved Donostia.

Niels Schröter, en kollega ved Paul Scherrer Institute i Schweiz og hovedforfatter på papiret, overvågede holdet hos den schweiziske lyskilde, der kortlagde de materielle Weyl-knuder.

"Det, vi ønskede at måle, var ikke kun den elektroniske overfladestruktur, " sagde Schröter. "Vi ønskede også at lære noget om bulk elektroniske egenskaber, og for at få begge disse supplerende oplysninger, vi var nødt til at bruge den specialiserede ADRESS-strålelinje ved den schweiziske lyskilde til at sondere elektroner dybt i hovedparten af ​​materialet."

Schröter forklarede, hvordan ingeniører kunne bygge en enhed nede ad vejen ved hjælp af dette materiale.

"Du ville sætte dette materiale i kontakt med et andet materiale, for eksempel med en magnetisk isolator eller lignende, hvor man så vil skabe magnetiske bølger ved at føre en elektrisk strøm igennem den.

"Det smukke ved disse topologiske materialer er, at disse grænsefladeelektroner, der kan bruges til spin-injektion, de er meget robuste. Du kan ikke nemt slippe af med dem. Det er her disse områder inden for topologi og spintronik kan mødes, fordi topologi måske er en måde at sikre, at du har disse spin-polariserede grænsefladetilstande i kontakt med andre magnetiske materialer, som du gerne vil kontrollere med strømme eller felter."

Schoop tilføjede, "Jeg synes, at denne form for genopdagelse i dette meget gamle og velstuderede materiale er meget spændende, og jeg er glad for, at jeg har disse to fantastiske samarbejdspartnere, der hjalp med at slå det fast."