Forskere observerer kompleks afstembar magnetisme knyttet til elektrisk ledning i et topologisk materiale

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har observeret ny spiralmagnetisk orden i den topologiske forbindelse EuIn ₂ Som ₂ som understøtter eksotisk elektrisk ledning, der kan indstilles af et magnetfelt. Opdagelsen har betydelige konsekvenser for grundforskningen i funktionelle topologiske egenskaber og kan en dag finde anvendelse i en række avancerede teknologiapplikationer.

Topologiske materialer bragede ind i de fysiske videnskaber for omkring femten år siden, årtier efter deres eksistens var blevet teoretiseret. Kaldes 'topologisk', fordi deres bulk elektroniske bånd er "knyttet" sammen, overfladerne på topologiske isolatorer "løsner knuden" og bliver metalliske. Forskere ved Ames Laboratory's Center for the Advancement of Topological Semimetals (CATS) søger at opdage, forstå, og kontrollere disse materialers exceptionelle ledningsegenskaber.

Meget af moderne teknologi er afhængig af krystallinske materialer, som er faste stoffer sammensat af et gentaget (periodisk) arrangement af atomer, der danner et gitter. På grund af periodiciteten, gitteret ser det samme ud efter visse symmetrioperationer såsom translation, specifikke rotationer, spejl, og/eller inversion. Eksistensen eller fraværet af disse symmetrier påvirker elektronisk båndtopologi og overfladeelektronisk ledning. Magnetisk bestilling kan ændre symmetrierne, der udvises af materialet, tilvejebringelse af et yderligere middel til at kontrollere den topologiske tilstand.

I samarbejde med forskere ved Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source, McGill University, og University of Missouri Research Reactor Center, CATS-teamet opdagede eksistensen af ​​lavsymmetrisk spiralmagnetisk bestilling i EuIn ₂ Som ₂ som understøtter en meget eftertragtet topologisk tilstand kaldet en aksionsisolator. Denne tilstand deler ligheder med axionpartiklen i kvantekromodynamik, som er en kandidatkomponent i mørkt stof. I faststofmaterialer, det giver en bemærkelsesværdig parallelkobling mellem magnetiske og elektriske egenskaber.

I nærværelse af den komplekse spiralformede magnetiske orden af ​​EuIn ₂ Som ₂ , aksionstilstanden fører til topologiske træk i overfladeelektroniske spektrum kaldet Dirac-kegler. Når en Dirac-kegle opstår på en overflade af materialet gennemtrængt af en fundamental akse af den magnetiske orden, keglen har ingen energigab, og overfladen udviser modstandsløs ledning bundet til orienteringen af ​​det elektroniske spin. De andre overflader har gabende Dirac-kegler og understøtter halvheltals kvantiseret elektrisk ledning. Forskerne forudsiger, at anvendelsen af ​​et relativt moderat magnetfelt skifter, hvilke overflader der understøtter hvilken type Dirac-kegle, gør det muligt at justere overfladeledningen.

Evnen til at skifte mellem overfladetilstande ved hjælp af et magnetfelt giver en eksperimentel mulighed for at undersøge de unikke egenskaber ved dens topologiske tilstande. Denne indstilling er også lovende for teknologier som højpræcisionssensorer, modstandsløse nanotråde, magnetiske lagringsmedier, og kvantecomputere. Fremtidige undersøgelser vil se på bulkkrystaller, mens de anvender et magnetfelt, og vil syntetisere og studere tynde film i nanoskala for at bane vejen for teknologiske anvendelser.

Papiret, "Magnetisk krystallinsk-symmetri-beskyttet aksionselektrodynamik og felttunerbare ustiftede Dirac-kegler i EuIn ₂ Som ₂ , " er offentliggjort i Naturkommunikation .