Forskere forvandler en nanotråd med eksotiske strømme til en sonde for magnetisme

Uanset om du kigger ud i rummet eller kigger dybt ind i det mikroskopiske område, er der altid mere at se. I tilfælde af faste stoffer er der en verden af ​​atomer og partikler, der vrimler med aktivitet, der i sidste ende fører til nyttige egenskaber som elektrisk ledning, magnetisme og isolering.

Et af de mest kraftfulde værktøjer til at se det usete er et scanningstunnelmikroskop eller kort sagt STM. I stedet for en optisk linse kommer dens kraftfulde øje fra en elektrisk strøm, der passerer mellem spidsen af ​​mikroskopet og prøvematerialet. Spidsen scanner på tværs af prøven og producerer et signal, der ændrer sig baseret på, hvordan atomer er arrangeret i et givet materiale. Tilsammen kortlægger scanningerne overflader med sub-nanometer opløsning og afslører elektroner og enkeltatomers placering.

For nylig tilføjede et hold af IQUIST-forskere ved University of Illinois Urbana-Champaign et twist til deres STM ved at erstatte spidsen med en nanotråd lavet af et eksotisk materiale, samariumhexaborid (SmB₆ ). De bruger nanotråden til at afbilde magnetiske træk i en tilgang, der har potentielle fordele sammenlignet med andre metoder. Som offentliggjort i den 9. september udgave af Science, deres kombinerede målinger og beregninger viste tegn på den usædvanlige natur af selve nanotråden.

"Lin Jiao, en tidligere post-doc i vores gruppe, foreslog ideen om, at denne form for nanotrådsspids måske kunne give os et ja-nej svar på, om et materiale var magnetisk eller ej," sagde IQUIST-medlem Vidya Madhavan, en fysikprofessor og tilsvarende forfatter på papiret. "Til vores overraskelse viste Anuva Aishwarya, en kandidatstuderende i gruppen, at disse tips kunne give meget mere information end det."

I hjertet af en STM er en effekt, der lader elektroner "tunnelere" gennem en barriere. Elektroner er fundamentale partikler styret af kvantefysik og kan fungere som bølger. I modsætning til vandbølger spreder elektroner ikke nødvendigvis eller hopper helt tilbage, når de rammer en overflade. Når de støder på en super tynd barriere, kan en smule af bølgen lække igennem i en proces, der kaldes kvantetunneling. I en STM er der et hul mellem spidsen af ​​mikroskopet og prøvematerialet. Elektronerne kan tunnelere gennem dette hul og skabe et elektrisk signal, der igen indeholder information om prøven.

Ud over ladning har elektroner en egenskab kaldet spin, som kan afbildes som en pil fastgjort til elektronen. Typisk kan elektriske strømme indeholde elektroner med deres spin peget i tilfældige retninger. Men videnskabsmænd kan lokke nogle materialer til at føre strømme med låst spin-retning. For eksempel kan fast-spin (polariserede) strømme i STM'er genereres med en kombination af magnetiske spidser og eksterne magneter. Desværre kan de tilføjede magneter være invasive og kan utilsigtet påvirke prøveatomerne. I det nye studie tog forskerne en anden tilgang til at skabe spin-polariserede strømme.

I stedet for at bruge en magnetisk spids brugte holdet ikke-magnetisk SmB₆ . For omkring et årti siden forudsagde forskere, at dette materiale kunne være en Kondo-topologisk isolator, som skulle have usædvanligt stabile spin-polariserede strømme uden tilføjede magneter. Således på overfladen af ​​SmB₆ elektriske strømme, der bevæger sig til højre, bør have elektroner med spin-up, og omvendt for strømme til venstre. Strømmene kan endda overleve i lyset af uønskede fejl i materialet. Dette er et generelt træk ved topologiske isolatorer, men alligevel har videnskabsmænd stået over for udfordringer med at omsætte denne ret eksotiske fysik til teknologiske anvendelser i den virkelige verden. Desuden forsøger forskere stadig at forstå de forskellige varianter af topologiske materialer. Denne nye undersøgelse giver stærke beviser for, at SmB₆ er i sandhed en Kondo topologisk isolator og sætter sine ejendommelige strømme til at arbejde for at forenkle magnetisk billeddannelse.

I Madhavans laboratorium brugte holdet nanofabrikation til at modificere STM. Zhuozhen (en undergraduate i gruppen) guidet af Lin, tilbragte hundredvis af timer i et renrum med at udvikle denne procedure. Først brugte de en stråle af ioner til at hugge den normale spids af, som er lavet af wolfram. Derefter indlejrede de nanotråden i en rende, der kun er et par hundrede nanometer bred. Ledningerne var omkring 60-100 nanometer i diameter, hvilket er nogenlunde på størrelse med nogle vira.

De scannede spidsen hen over overfladen af ​​jerntellurid, som er en antiferromagnet. Sådanne materialer har alternerende områder af spin-up og spin-down elektroner, og den samlede magnetisering ophæver. Dette er i modsætning til mere velkendte almindelige stangmagneter, som har alle elektronspin pegende i en enkelt retning. Tidligere STM-billeder med magnetiske spidser viste lyse-mørke-lyse striber, hvilket betyder, at prøven er antiferromagnetisk. Holdet indsamlede lignende billeder med den nye ikke-magnetiske nanotrådsopsætning, som indikerede, at tunnelelektronerne fra SmB₆ var spin-polariserede. Når spidsen var over et område af antiferromagneten med spins, der matchede orienteringen af ​​spins af overfladestrømmen, steg signalet; ellers faldt det. STM kortlagde disse variationer, mens den scannede over prøven og viste klare mønstre svarende til de vekslende spin-striber.

For yderligere at bekræfte, at nanotrådssignalerne var relateret til de usædvanlige strømme af SmB₆ , opvarmede holdet eksperimentet over 10 Kelvin. Ved denne temperatur er SmB₆ bør ikke længere være en Kondo topologisk isolator og vil miste sine overfladespinstrømme. Det er afgørende, at STM ikke længere observerede nogen antiferromagnetiske striber, selvom prøvens magnetiske rækkefølge overlever ved denne temperatur. De fandt ud af, at spin-polariserede strømme simpelthen ikke var til stede i nanotråden over denne temperatur. Holdet udførte en tredje kontrol af de spin-polariserede strømme ved at skifte retningen af ​​spændingen påført nanotrådsspidsen. Dette vendte retningen af ​​tunnelstrømmen mellem STM'en og prøven. STM-billederne viste, at kontrasten i billederne er inverteret, hvilket kun kan ske, hvis tunnelelektronerne har spin-polarisering, der vender, når strømmen ændrer retning. Tilsammen viste disse beviser SmB₆s eksotiske natur .

"Vi kan skifte nanotråden på spidsen til et andet materiale, som ville lade os undersøge andre, potentielt usædvanlige, aspekter af vores prøve," sagde Anuva Aishwarya, hovedforfatter og fysikstuderende i Madhavans gruppe. "Jeg er meget begejstret for dette, fordi det åbner døre til en ny nanoskala-følingsteknik!"

Spidsegenskaberne var overraskende gentagelige, sagde Madhavan. Holdet kunne endda udsætte nanotrådene for luft, og de klarede sig konsekvent godt i STM. Meget er stadig ukendt om SmB₆ , men dens robuste ydeevne kombineret med måledataene stemmer overens med forudsigelserne om dens topologiske natur.

"Denne teknik er måske den første rigtige anvendelse af en topologisk isolator, og bemærkelsesværdigt nok, for at den skal fungere, er det afgørende, at oprindelsen til topologien er fra stærke mange-elektron-interaktioner som forventet i SmB₆ ," sagde IQUIST-medlem Taylor Hughes, der er professor i fysik og medforfatter på undersøgelsen.

I fremtidige undersøgelser planlægger holdet at modificere nanotråden for at se, om den kan afsløre endnu flere materielle funktioner. For eksempel er de interesserede i at skabe og detektere eksotiske partikellignende enheder såsom Majorana-fermioner, som længe har været foreslået som grundlag for nye kvantecomputerenheder. + Udforsk yderligere

En ny vej mod spin-polariserede strømme