Neutroner afslører den vilde Weyl-verden af ​​halvmetaller

Observationen af ​​en unormal tilstand af stof i et todimensionelt magnetisk materiale er den seneste udvikling i kapløbet om at udnytte nye elektroniske egenskaber til mere robuste og effektive næste generations enheder.

Neutronspredning ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hjalp et multi-institutionelt team ledet af Tulane University med at undersøge et grafenlignende strontium-mangan-antimonmateriale (Sr. _1-år Mn _1-z Sb ₂ ), der er vært for, hvad forskere formoder er en Weyl-semimetalfase.

Egenskaberne af Weyl-halvmetaller omfatter både magnetisme og topologisk semimetallisk adfærd, hvor elektroner - eller ladningsbærere - er næsten masseløse og immune over for ledningsfejl. Holdets resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

Neutronspredningsmålingerne ved High Flux Isotope Reactor, en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, og magnetfeltstudier ved Florida State Universitys National High Magnetic Field Laboratory afslørede nøglemekanistisk adfærd, der understøtter kvantematerialets forhold mellem elektrontransport og magnetisme.

"Weyl-halvmetaller er en slags den hellige gral i fysik lige nu, " sagde Alan Tennant, chefforsker ved ORNLs direktorat for neutronvidenskab. "Nogle af disse typer materialer viser kvanteadfærd ved stuetemperatur, hvilket er præcis, hvad der skal opnås for at give en vej mod kvanteelektronik."

Betydeligt stærkere end stål, og en fremragende leder af varme og elektricitet, grafen er et yderst eftertragtet byggemateriale til elektronik. Imidlertid, den mangler traditionelle magnetiske egenskaber, der er nødvendige for at opnå større kontrol over elektrontransport. Det er derfor, forskere søger efter Weyl-halvmetaller, siger Qiang Zhang, en gæsteforsker fra Louisiana State University (LSU), der arbejder i ORNL's Shull Wollan Center - et Joint Institute for Neutron Sciences.

"Weyl-halvmetaller er sjældne, og de fleste af dem er ikke-magnetiske. Vi fandt en, der er magnetisk, " sagde Zhang. "Hvis vi bedre kan forstå den elektroniske adfærd, vi fandt i dette materiale, det kunne fremskynde computer- og smartphoneteknologierne betydeligt."

Elektronerne i grafen har en berømt egenskab:De danner en "Dirac-kegle", hvor deres momentum og energi er relateret på nogenlunde samme måde som det sker i lys.

I modsætning til grafen, holdets materiale udviser traditionel magnetisme, eller ferromagnetisme, hvilket betyder, at elektronerne justeres i et parallelt arrangement som nord- og sydpolen af ​​en typisk stangmagnet. Men det udviser også antiferromagnetisme, hvor elektronerne peger i modsatte retninger af deres naboelektroner.

Magnetismen har en dyb effekt, Tennant forklarer. Elektronernes modsatrettede bevægelser får Dirac-keglen til at rive fra hinanden eller dele sig i to, så der dannes to nye kegler. Dette bryder et princip kendt som tidsvendingssymmetri, hvilket betyder, at systemet ikke ville være det samme, hvis tiden blev spolet tilbage. "Tænk på en snurretop, der går baglæns, " han siger.

Når de to kegler bryder tidsvendingssymmetrien, de inducerer en Weyl semimetallisk tilstand, hvor elektronerne mister masse.

Betydningen er, at elektroner, som mange partikler, have masse. På grund af det - ud over stadig mindre størrelser af transistorer og lignende ladningsbærende materialer - har elektroner en tendens til at få flaskehalse, eller skabe trafikpropper. I Weyl-halvmetaller, elektronerne er mere som ladningsbærere, der opfører sig, som om de er næsten masseløse, hvilket gør dem meget mobile.

Undersøgelse af en lille, højkvalitets krystal dyrket på Tulane University, holdet var i stand til at bestemme den magnetiske struktur af Sr1-yMn1-zSb2, ved hjælp af neutroner ved Four-Circle Diffractometer-instrumentet ved High Flux Isotope Reactor.

Neutroner er ideelle værktøjer til at identificere og karakterisere magnetisme i næsten ethvert materiale, fordi de, som elektroner, udviser en strøm af magnetisme kaldet "spin".

"Vi opdagede to typer af ferromagnetiske ordrer og fandt det eksperimentelle bevis på, at tids-vendingssymmetrien bryder, skaber sandsynligvis en Weyl-tilstand i Sr1-yMn1-zSb2. Dette gør dette system til en vidunderlig kandidat til at studere effekten af ​​brud på tids-vendingssymmetrien på den elektroniske båndstruktur, " sagde Zhang.