Studie afslører en ny familie af kvante-anomale Hall-isolatorer

I de senere år har fysikere og materialeforskere identificeret forskellige nye materialer præget af interessante egenskaber og kvanteeffekter. Disse materialer kan vise sig at være yderst værdifulde både som platforme til at studere kvanteeffekter og til udvikling af nye kvantecomputere.

En klasse af materialer, der har tiltrukket sig særlig opmærksomhed, er kvanteanomale Hall-isolatorer. Disse materialer har interessante egenskaber, der gør det muligt for dem at lede elektricitet på meget kontrollerede og effektive måder, ved at udnytte kvantemekaniske effekter og magnetisme.

Forskere ved Fudan University i Kina har for nylig forsøgt at identificere nye lovende kvante-anomale Hall-isolatorer. Deres seneste papir, offentliggjort i Physical Review Letters , skitserer de unikke egenskaber ved monolag V₂ MX₄ , som kunne tilhøre en ny familie af kvante-anomale Hall-isolatorer.

"At finde iboende kvante-anomale Hall-materialer er et vigtigt mål i topologisk materialeforskning," fortalte Jing Wang, medforfatter af papiret, til Phys.org. "Efter at vi havde forudsagt MnBi₂ Te₄ , et paradigmeeksempel på magnetisk topologisk isolator og udviser kvanteanomal Hall-effekt i ulige lag, har vi tænkt på at finde en ny iboende kvanteanomal Hall-isolator med stort mellemrum."

Kvanteunormale Hall-isolatormaterialer med stort mellemrum udviser en kvanteanomal Hall-effekt med et relativt stort energigab mellem valens- og ledningsbåndet. Disse materialer bør udvise en synergi mellem to tilsyneladende modstridende egenskaber, nemlig spin-kredsløbskobling og ferromagnetisme.

"Nøglen er forankret i d-orbitaler, hvor både topologi og magnetisme eksisterer side om side," sagde Wang. "I vores tidligere værker præsenterede vi oprindeligt ATiX, en klasse af kvante-anomale Hall-materialer karakteriseret ved P4/nmm-rumgruppen," sagde Wang. "Symmetrianalysen i P4/nmm førte os i sidste ende til at identificere V₂ MX₄ materialer under P-42m rumgruppen."

V₂ MX₄ , kunne den nye familie af materialer identificeret af Wang og hans samarbejdspartnere syntetiseres ved hjælp af processer, der i vid udstrækning er blevet anvendt til at syntetisere forbindelser med lignende strukturer, såsom Cu₂ MX₄ og Ag₂ MX₄ . Denne nye familie af materialer omfatter i alt 10 materialer med ikke-trivielle topologiske båndgab og lignende egenskaber, hvoraf seks er blevet teoretisk bevist at udvise både dynamisk og termodynamisk stabilitet.

"Den overflod af kandidater understreger universaliteten af ​​denne struktur, hvilket forbedrer udsigterne til syntese," forklarede Wang. "Med hensyn til ydeevne synes vi, at det er en passende beskrivelse af V₂ MX₄ familien er 'enkel, men alligevel kraftfuld'. Den ligefremme Hund-regel leverer høje Curie-temperaturer (spænder fra 200 til 500 K). Båndinversionen ved Gamma-punktet giver et stort ikke-trivielt topologisk båndgab (spænder fra 100 til 300 meV)."

De numeriske beregninger og simuleringer udført af Wang og hans kolleger tyder på, at V₂ MX₄ materialer har rige topologiske egenskaber. De er kvanteanomale Hall-isolatorer i deres ulige lag, aksionsisolatorer i deres lige lag, antiferromagnetiske topologiske isolatorer i deres 3D-grundtilstand og 3D-kvanteanomale Hall-isolatorer i deres ferromagnetiske tilstand af 3D.

Forskerne er nu begyndt at samarbejde med et team af eksperimentelle fysikere for at syntetisere V₂ MX₄ i laboratoriemiljøer. Deres arbejde kunne bane vejen for at identificere andre lovende kvanteanomale Hall-isolatorer, som kunne have interessante konsekvenser for kvantefysisk forskning og kvanteteknologiudvikling.

"V₂ MX₄ skiller sig ud som en af ​​de mest konkurrencedygtige kandidater til højtemperatur-kvanteanomal Hall-isolator med store huller," tilføjede Wang. "Hvis det realiseres eksperimentelt, kan det i høj grad fremme forskning og anvendelse af topologisk kvantefysik. Et vigtigt mål for vores næste forskning vil være at finde nye iboende topologiske isolatormaterialer, og vi samarbejder sideløbende med eksperimentelle grupper for at fremstille V₂ MX₄ ."

Flere oplysninger: Yadong Jiang et al., Monolayer V₂ MX₄ :En ny familie af kvanteanomale hallisolatorer, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.106602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.14685

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

© 2024 Science X Network