Физикам обнаружить топологического поведения электронов в 3D магнитный материал

Международная команда исследователей под руководством ученых из Принстонского университета обнаружили, что магнитный материал при комнатной температуре позволяет электроны ведут себя парадоксально, действуя коллективно, а не индивидуально. Их коллективное поведение имитирует безмассовых частиц и анти-частиц, которые сосуществуют в неожиданном образе и вместе образуют экзотический петлеобразное строение.

Ключ к такому поведению является топология — раздел математики, в котором уже известно, играют важную роль в создании поведения электронов в кристаллах. Топологические материалы могут содержать безмассовых частиц в виде света, или фотонов. В топологии кристалла, электроны часто ведут себя как замедленное легкий, но, в отличие от света, несут электрический заряд.

Топология редко наблюдается в магнитных материалах, и нахождение магнитных топологических материал при комнатной температуре представляет собой шаг вперед, который может открыть новые подходы к использованию топологических материалов для последующего технологического применения.

«До этой работы, доказательства топологических свойств магнитов в трех измерениях был безрезультатным. Эти новые результаты дают нам прямого и решительного доказательства этого явления на микроскопическом уровне», — сказал М. Захид Хасан, Юджин Хиггинс профессор физики в Принстонском университете, который возглавлял исследование. «Эта работа открывает новый континент для исследования топологических магниты».

Хасан и его команда потратили более десяти лет, изучая материалы кандидата в поиске топологических магнитное квантовое состояние.

«Физика объемных магнитов были понятны в течение многих десятилетий. Естественный вопрос для нас: может магнитные и топологические свойства вместе производят что-то новое в трех измерениях?» Сказал Хасан.

Существуют тысячи магнитных материалов, но большинство из них не имеют правильные свойства, исследователи нашли. Магниты были слишком трудно синтезировать, магнетизм не был достаточно хорошо понимал, что магнитная структура является слишком сложным, чтобы теоретически модель, или нет решающих экспериментальных подписей топологии могут быть соблюдены.

Затем наступил счастливый перелом.

«После изучения множества магнитных материалов, мы провели измерения по классу при комнатной температуре магниты и неожиданно увидел подписи безмассовых электронов», — сказал Белопольском Илья, научный сотрудник Хасан лаборатории и co-первый автор исследования. «Что нас на пути к открытию первых трех-мерного топологического магнитной фазы.»

Экзотические магнитные Кристалл состоит из кобальта, марганца и галлия, расположены в определенном порядке, повторяя трехмерный узор. Изучить топологические состояния материала, исследователи использовали метод, называемый углом-разрешенной спектроскопии фотоэмиссии. В этом эксперименте, высокой интенсивности света светит на образец, заставляя электроны эмитируют с поверхности. Эти испущенные электроны затем могут быть измерены, предоставляя информацию о том, как электроны вели себя, когда они были внутри кристалла.

«Это чрезвычайно мощный экспериментальный метод, который в данном случае позволил непосредственно наблюдать, что электроны в Магните вести себя как если бы они были безмассовыми. Эти безмассовые электроны известны как фермионов Вейля,» сказал Даниэль Санчес, Принстонского исследователь и аспирант в Университете Копенгагена, и другой Co-первый автор изучения.

Пришел один из ключевых моментов, когда исследователи изучили фермионов Вейля более внимательно и понял, что Магнит, размещенный бесконечный ряд различных безмассовых электронов, которое принимает форму петли, с некоторыми электронов, имитирующих свойства частиц и некоторые из анти-частиц. Это коллективное квантовое поведение электронов, называют магнитные топологические петли фермион Вейля.

«Это действительно экзотический и новую систему», — сказал Чжан Гоцина, научный сотрудник группы Хасана и co-первый автор изучения. «Коллективное поведение электронов в этих частицах не похож ни на привычные для нас в нашей повседневной опыта … или даже в опыте физики изучают элементарные частицы. Здесь мы имеем дело с частицами, возникающих подчиняется другим законам природы».

Получается, что основной движущей силой этих свойств является математической величиной, которая описывает бесконечный ряд безмассовых электронов. Исследователям удалось придавить роль топологии, наблюдая малейшие изменения в разнице поведения электронов, живущих на поверхности образца и глубже в свой интерьер. Техника для демонстрации топологических величин с помощью контрастов поверхностных и объемных свойств был пионером группы Хасан и используется для обнаружения фермионов Вейля, находя, опубликованные в 2015 году. Команда в последнее время использовал аналогичный подход для изучения топологических хиральный Кристалл, работа опубликована в журнале Nature в начале этого года, который также возглавил группу Хасана в Принстоне и включены Даниэль Санчес, Чжан Гоцина и Белопольским Илья ведущих авторов.

Теоретические предсказания

Связь между топологией и магнитного квантовых частиц петля была исследована в теоретических предсказаний Хасан группы, опубликованном в октябре 2017 года в физическая. Однако, теоретический интерес группы в топологическую магниты восходит гораздо раньше теоретических предсказаний, опубликованных в журналах Nature материалов в 2010 году. Эти теоретические работы группы Хасана финансировались американским Министерством энергетики основных энергетических наук.

«Эта работа представляет собой кульминацию почти десятилетие стремится реализовать топологическую магнитные квантовые фазы в трех измерениях», — сказал Хасан.

В 2016 году, Дункан Холдейн, Принстона Шерман Фэйрчайлд университета профессор физики, получили Нобелевскую премию по физике за его теории, предсказывающие свойства одно — и двумерных топологических материалов.

Важным аспектом результатом является то, что материал сохраняет свой магнетизм до 400 градусов по Цельсию … Ну выше комнатной температуры, удовлетворяя основное требование для реальных технологических применений.

«До нашей работы, топологические магнитные свойства, как правило, наблюдается при тонких пленок материалов было очень холодно — на долю градуса выше абсолютного нуля, требующее специального оборудования, просто для достижения необходимой температуры. Даже небольшое количество тепла термически дестабилизировать топологического магнитного состояния», — сказал Хасан. «Квантовый Магнит учился здесь экспонаты топологические свойства при комнатной температуре».

Топологический Магнит в трех измерениях раскрывает свои самые экзотические подписи только на ее поверхности — волновых функций электрона в форме пластиков. Это беспрецедентный случай в ранее известных магнитов и представляют собой выраженный топологического Магнит. Исследователи наблюдали такую пластику-в форме электронных состояний в своих данных, обеспечивая решающее значение решающего доказательства того, что он является новым состоянием вещества.

Патрик Ли, Уильям и Эмма Роджерс, профессор физики в Массачусетском технологическом институте, который не был вовлечен в исследование, прокомментировал важность находки. «Принстонской группы уже давно в авангарде открывать новые материалы с топологическими свойствами», — сказал Ли. «Расширяя эту работу до комнатной температуры ферромагнитных и доказав существование нового вида государства морской поверхности, эта работа открывает новый домен для дальнейших открытий».

Для того чтобы понять их результаты, исследователи изучили расположение атомов на поверхности материала с использованием нескольких методов, таких как проверка для правильной симметрии с помощью сканирующего туннельного микроскопа в Хасан лаборатории топологических квантовых материи и передовые спектроскопии расположенном в подвале Принстона Jadwin зале.

Важным фактором в поиске был ультрасовременным оборудованием спектроскопии, используемых для проведения эксперимента. Исследователи использовали специальный фотоэмиссионной спектроскопии недавно частей, построенных в Стэнфордском центре синхротронного излучения источник света, частью Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Менло-парке, Калифорния.

«Свет используется в ускорителе SLAC эксперимент фотоэмиссии-это очень яркий и направлены вниз, на крошечное пятнышко, только несколько десятков микрометров в диаметре», — сказал Белопольским. «Это было важно для изучения».

Работа велась в тесном сотрудничестве с группой профессора Синь Лин в Институте физики Академии Синика на Тайване и профессор Клаудия Felser в Макс Планк Институте химической физики твердого тела в Дрездене, Германия, в том числе докторской исследователь Kaustuv Манна как Co-первый автор.

Движимый заманчивую возможность применения, исследователи пошли на один шаг дальше и прикладных электромагнитных полей на топологических магнит, чтобы увидеть, как он будет реагировать. Они наблюдали экзотический электромагнитного отклика до комнатной температуры, которое может быть напрямую восходит к квантовой электронов петли.

«У нас есть много топологические материалы, но среди них было трудно показать четкое электромагнитного отклика, вытекающие из топологии», — добавил Хасан. «Здесь мы были в состоянии сделать это. Она устанавливает совершенно новые полевые исследования по топологической магниты».

сделать разницу: спонсорские возможности