Identifikation af et topologisk fingeraftryk

En FLÅDE-teoretisk undersøgelse i denne uge har fundet en 'rygende pistol' i den lange søgen efter den topologiske magnetiske monopol, der omtales som Berry-krumningen.

Denne opdagelse er et gennembrud i søgen efter topologiske effekter i ikke-ligevægtssystemer.

Gruppen, ledet af Dimi Culcer ved UNSW, identificeret en ukonventionel Hall-effekt drevet af et magnetfelt i planet i halvlederhulsystemer, som udelukkende spores til Berry-krumningen.

(Omvendt, den almindelige Hall-effekt og den unormale Hall-effekt kræver begge et magnetfelt/magnetisering, der er vinkelret på overfladen.)

Forbedrede topologiske effekter ville tillade lavenergi topologisk elektronik, der er levedygtig i stor skala, stuetemperatur drift, og blev for nylig inkluderet i IEEE-køreplanen mod fremtidens elektronik.

Isolerende respons et gennembrudsmoment

"Isolering af topologiske svar i 'almindelige ledere' har været en historisk vanskelig opgave, " siger leder af forskergruppen A/Prof Dimi Culcer (UNSW). "Selvom disse topologiske reaktioner menes at være allestedsnærværende i faste stoffer."

Kvantificerede svar, såsom quantum Hall og quantum spin-Hall effekter giver et klart fingeraftryk af topologi, alligevel er disse kun blevet observeret i endimensionelle (1D) systemer og er tæt forbundet med eksistensen af ​​kanttilstande.

I 'almindelige' dirigenter, betyder 2D- og 3D-systemer, der findes masser af teoretisk litteratur, der forudsiger topologiske bidrag til f.eks. den unormale Hall-effekt, men disse er aldrig blevet observeret entydigt i en transportmåling.

Der er to hovedårsager til dette:(i) spin-up og spin-down elektroner giver normalt modsatte bidrag, og disse udligner næsten; (ii) hvad der er tilbage er overvældet af uorden.

Det nye FLEET-papir afhjælper denne langvarige mangel ved at identificere et todimensionelt system, hvori Berry-krumningen, og kun Berry-krumningen, er ansvarlig for Hall-signalet lineært i det påførte magnetfelt i planet.

"Bemærkelsesværdigt, alle lidelsesbidrag forsvinder:vi er ikke opmærksomme på noget andet multidimensionelt system, hvor dette er sandt, " siger hovedforfatter, UNSW Ph.D. studerende James Cullen. "Dens eksperimentelle måling er tilgængelig for ethvert state-of-the-art laboratorium over hele verden, derfor forventer vi stor interesse fra eksperimentelister."

Bærkrumning, den unormale Hall-effekt og topologiske materialer

Forskerholdet søgte det afslørende matematiske spor kaldet "Berry curvature, " hvilket kan forstås, hvis vi tænker på begrebet parallel transport, der forekommer rutinemæssigt i geometri og generel relativitetsteori.

"Tænk på en vektor som en pil, som vi placerer et sted på overfladen af ​​et fast objekt, " forklarer Dimi. "Nu flytter vi pilen rundt, sørge for, at den altid peger i samme vinkel mod overfladen - det er faktisk som et menneske, der går langs jordens overflade. Vi bringer til sidst pilen tilbage til udgangspunktet, efter at den har cirklet rundt, og det finder vi, generelt, den peger i en anden retning - den har på magisk vis roteret gennem en vinkel. Størrelsen af ​​denne vinkel bestemmes af overfladens krumning. "

I kvantemekanik, i stedet for vektorer har vi bølgefunktioner, men vi kan beskrive dynamikken ved at bruge det samme billede, og krumningen kaldes Berry krumningen.

Rotationsvinklen er erstattet af den berømte Berry-fase, opkaldt efter den matematiske fysiker prof Sir Michael Berry, som formulerede problemet i 1980'erne. Senere, bygger på arbejde af nobelpristageren David Thouless, Qian Niu fra UT Austin viste, at Berry-krumningen opfører sig som den eftertragtede magnetiske monopol - men ikke i det virkelige rum, snarere i momentum rum, som er det rum, de fleste fortættet stof-fysikere tænker i.

Berry-krumningen driver topologiske effekter i systemer uden for ligevægt, fordi når et elektrisk felt påføres, accelereres en elektron, så dens momentum ændrer sig. Når dette sker, ændres dens bølgefunktion langsomt, på samme måde som 'pilen' roteres i parallel transport, og som et resultat af denne gradvise rotation genereres en tværgående (Hall) strøm. Onsager-relationerne, som er grundlæggende for ikke-ligevægtsfysik, sige, at Hall-strømmen ikke spreder energi. Det ekstreme tilfælde er den kvante anomale Hall-effekt (QAHE), en kvanteeffekt nøgle til funktionen af ​​topologiske materialer, i hvilken kantstrømme kan flyde med effektivt nul elektrisk modstand.

('Quantum' beskriver 'trin'-overgang i den tværgående (Hall) modstand - dvs. det varierer i diskrete trin snarere end jævnt - mens 'unormalt' refererer til fænomenets forekomst i fravær af et påført magnetfelt.)

Forskere søger at forbedre QAHE for at beskytte topologisk adfærd ved højere temperaturer, giver mulighed for topologisk elektronik, der ville være levedygtig til stuetemperaturdrift.

"Den betydelige reduktion i elektrisk modstand, der tillades af rumtemperatur QAHE, ville give os mulighed for at reducere strømforbruget i elektroniske enheder betydeligt, " siger Dimi.