Forskere opdager en laghaleffekt i en 2D topologisk Axion antiferromagnet

Forskere har opdaget en "lag" Hall-effekt i en solid state-chip konstrueret af antiferromagnetisk mangan-vismuttellurid, et fund, der signalerer en meget efterspurgt topologisk Axion-isoleringstilstand, holdet rapporterer i den aktuelle udgave af tidsskriftet Natur .

Forskere har forsøgt at finde beviser for en topologisk Axion-isoleringstilstand (TAI) og udviklet nogle kandidatmaterialer baseret på teoretiske beregninger. Den lagdelte Hall-effekt repræsenterer det første klare eksperimentelle bevis på staten, et træk bundet af kvantefysikkens love, ifølge Boston College assisterende professor i fysik Qiong Ma, en seniorforsker på projektet, som omfattede 36 videnskabsmænd fra universiteter i USA, Japan, Kina, Taiwan, Tyskland, og Indien.

Forskere mener, at når det er fuldt ud forstået, TAI kan bruges til at fremstille halvledere med potentielle anvendelser i elektroniske enheder, sagde mor. De meget usædvanlige egenskaber ved Axions vil understøtte en ny elektromagnetisk reaktion kaldet den topologiske magneto-elektriske effekt, baner vejen for at realisere ultrafølsomme, ultrahurtig, og dissipationsløse sensorer, detektorer og hukommelsesenheder.

I centrum af denne undersøgelseslinje blandt fysikere og materialeforskere er Axions, svagt interagerende partikler først postuleret af teoretikere for mere end 30 år siden, sagde mor. De er en af ​​de primære kandidater til Dark Matter, en mystisk form for stof, der menes at tegne sig for cirka 85 procent af universet.

Mens søgningen efter Axions i højenergifysik er aktivt i gang, det er for nylig blevet foreslået, at Axions kan realiseres som kvasipartikler i faststofmaterialer. Den primære kandidat som stedet for at lokalisere Axions er i et kvante-TAI-materiale, hvor forskere foreslår, at aksioner eksisterer som elektroniske excitationer med lav energi, sagde mor.

"Vi satte os for at søge efter den topologiske Axion-isoleringstilstand i en omhyggeligt designet kvanteanordning lavet af lige-nummer-lag MnBi2Te4 - eller mangan-vismuttellurid, " sagde Ma. "Tidligere undersøgelser har vist den isolerende tilstand, nemlig, meget stor modstand, som er, imidlertid, gælder for enhver isolator. Vi ønskede yderligere at demonstrere egenskaber, der er unikke for Axion isolatorer og ikke findes i almindelige isolatorer, såsom diamant."

Materialet danner en todimensionel lagdelt krystalstruktur, hvilket gjorde det muligt for Ma og hendes kolleger at mekanisk eksfoliere atomtykke flager ved hjælp af cellofantape, der kan findes i de fleste apoteker og supermarkeder. Tynde flagestrukturer med lige antal lag blev foreslået som en Axion-isolator.

Ma arbejdede tæt sammen med andre Boston College fysikere Brian Zhou og Kenneth Burch. Zhou brugte en unik kvante teknik til at opdage magnetismen af ​​MnBi2Te4. Burch har en unik handskerumsfacilitet, der bruges til at behandle prøven i et inert miljø.

"Vi karakteriserede først lagnummeret med optiske metoder og udførte derefter elektriske transportmålinger, såsom måling af prøvemodstanden under forskellige forhold, inklusive varierende elektriske felter, magnetfelt og miljøtemperatur, " sagde mor.

Forskerne fandt Hall-effekten, en velkendt fysiklov, hvor elektroner bevæger sig i en vinkel fra aksen under påvirkning af et påført magnetfelt. Men i dette tilfælde, disse elektroner rejste uden sådan hjælp, sagde mor. Nøglen var materialernes topologi, eller kvanteegenskaberne for dets elektroner og de bølger, de fungerer i.

"Vi observerede en ny egenskab for elektroner, der bevæger sig hen over dette materiale i dets Axion-isolerende tilstand:Elektronerne bevæger sig ikke i en lige linje; i stedet, de afbøjes til den tværgående retning. Denne effekt blev normalt kun observeret under et stort magnetfelt, kendt som Hall-effekten, " sagde mor. "Men her, afbøjningen opstår på grund af materialernes iboende topologi og uden eksternt magnetfelt. Mere interessant, elektronerne afbøjes til modsatte sider på det øverste og nederste lag. Derfor, vi opfandt det som lag Hall-effekten. Laget Hall-effekten tjener som en tydelig signatur af den topologiske Axion-isoleringstilstand, hvilket ikke vil ske i almindelige isolatorer."

mor, hvis forskning i projektet er støttet af det amerikanske energiministerium, sagde, at holdet var overrasket over at opdage, at den topologiske Axion-isoleringstilstand og lag-Hall-effekten effektivt kan kontrolleres af det såkaldte Axion-felt, som er produktet af at påføre både et elektrisk felt og et magnetfelt.

"Det betyder, at om elektronerne afbøjes til venstre eller højre på det øverste og nederste lag, kan skiftes ved den kollektive anvendelse af de elektriske og magnetiske felter, " sagde mor. "Et enkelt felt er ikke i stand til at skifte den ene situation til den anden."

Harvard University assisterende professor i kemi Suyang Xu, en hovedforfatter af rapporten, tilføjet, "Vi er meget begejstrede for dette arbejde, fordi det demonstrerer den første realistiske platform for den topologiske Axion -isolatorstatus."

Ma sagde, at identifikationen af ​​den topologiske Axion-isoleringstilstand fører til det næste trin i at søge efter signaturer af den definerende Axion-dynamik i dette system, som er kendt som den topologiske magnetoelektriske effekt (ME).

"Den topologiske ME-effekt er en fundamentalt ny mekanisme til at omdanne elektricitet til magnetisme, eller omvendt, uden tabt energi, og har et stort potentiale til at realisere ultra-energieffektive spintronic- og hukommelsesenheder, " sagde mor.

For at demonstrere dette vil det kræve yderligere optimering af materialekvaliteten, enhedens geometri, og udvidede eksperimentelle muligheder, sagde mor.