Elektroner venter på deres tur:Ny model forklarer 3D kvantemateriale

Forskere fra Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter har udviklet en ny forståelse af, hvordan elektroner opfører sig i stærke magnetiske felter. Deres resultater forklarer målinger af elektriske strømme i tredimensionelle materialer, der signalerer en kvante Hall-effekt - et fænomen, der hidtil kun er forbundet med todimensionelle metaller. Denne nye 3D-effekt kan være grundlaget for topologiske kvantefænomener, som menes at være særligt robuste og derfor lovende kandidater til ekstremt kraftfulde kvanteteknologier. Disse resultater er netop blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Dr. Tobias Meng og Dr. Johannes Gooth er tidlige karriereforskere i Würzburg-Dresdner Cluster of Excellence ct.qmat, der forsker i topologiske kvantematerialer siden 2019. De kunne næsten ikke tro på resultaterne af en nylig publikation i Natur hævder, at elektroner i det topologiske metal zirconiumpentatellurid (ZrTe ₅ ) bevæger sig kun i todimensionelle planer, på trods af, at materialet er tredimensionelt. Meng og Gooth startede derfor deres egen forskning og eksperimenter på materialet ZrTe ₅ . Meng fra Technische Universität Dresden (TUD) udviklede den teoretiske model, Gooth fra Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids designede eksperimenterne. Syv målinger med forskellige teknikker fører altid til den samme konklusion.

Elektroner venter på deres tur

Meng og Gooths forskning tegner et nyt billede af, hvordan Hall-effekten virker i tredimensionelle materialer. Forskerne mener, at elektroner bevæger sig gennem metallet langs tredimensionelle baner, men deres elektriske transport kan stadig fremstå som todimensionel. I det topologiske metal zirconium pentatellurid, dette er muligt, fordi en brøkdel af elektronerne stadig venter på at blive aktiveret af et eksternt magnetfelt.

"Den måde, elektroner bevæger sig på, er konsistent i alle vores målinger, og ligner det, man ellers kender fra de todimensionelle kvante Hall-effekter. Men vores elektroner bevæger sig opad i spiraler, snarere end at være begrænset til en cirkulær bevægelse i planer. Dette er en spændende forskel på kvante-Hall-effekten og til de foreslåede scenarier for, hvad der sker i materialet ZrTe5, " kommenterer Meng om tilblivelsen af ​​deres nye videnskabelige model. "Dette virker kun, fordi ikke alle elektroner bevæger sig på alle tidspunkter. Nogle står stille, som om de stod i kø. Først når et eksternt magnetfelt påføres, bliver de aktive."

Eksperimenter bekræfter modellen

Til deres eksperimenter, videnskabsmændene kølede det topologiske kvantemateriale ned til -271 grader Celsius og påførte et eksternt magnetfelt. Derefter, de udførte elektriske og termoelektriske målinger ved at sende strømme gennem prøven, studerede dets termodynamik ved at analysere materialets magnetiske egenskaber, og anvendt ultralyd. De brugte endda røntgen, Raman og elektronisk spektroskopi for at se på materialets indre funktion. "Men ingen af ​​vores syv målinger antydede, at elektronerne kun bevægede sig todimensionelt, " forklarer Meng, leder af Emmy Noether-gruppen for Quantum Design på TUD og førende teoretiker i nærværende projekt. "Vores model er faktisk overraskende enkel, og forklarer stadig alle eksperimentelle data perfekt."

Outlook for topologiske kvantematerialer i 3D

Den nobelprisvindende kvante Hall-effekt blev opdaget i 1980 og beskriver den trinvise ledning af strøm i et metal. Det er en hjørnesten i topologisk fysik, et felt, der har oplevet en stigning siden 2005 på grund af dets løfter om det 21. århundredes funktionelle materialer. Til dato, imidlertid, kvante Hall-effekten er kun blevet observeret i todimensionelle metaller. De videnskabelige resultater af denne publikation udvider forståelsen af, hvordan tredimensionelle materialer opfører sig i magnetiske felter. Klyngemedlemmerne Meng og Gooth har til hensigt at fortsætte denne nye forskningsretning:"Vi ønsker bestemt at undersøge elektronernes køadfærd i 3D-metaller mere detaljeret, " siger Meng.