Международная команда во главе с исследователями из Принстонского университета обнаружили новый класс магнитов, который демонстрирует Роман квантовые эффекты, которые простираются до комнатной температуры.
Исследователи обнаружили топологическая фаза квантуется в первозданном Магнит. Их открытия дают выводы в 30-летнюю теорию о том, как электроны спонтанно квантования и продемонстрировать доказательство принципе способ открыть для себя новые топологические магниты. Квантовые магниты перспективных платформ для бездиссипативным током, высокой емкостью и будущее «зеленых» технологий. Исследование было опубликовано в журнале Nature на этой неделе.
Корни открытия лежат в работе квантовый эффект Холла — форма топологический эффект, который был предметом Нобелевскую премию по физике в 1985 году. Это был первый раз, что отделение теоретической математики, называемая топологией, начал бы фундаментально изменить то, как мы описать и классифицировать материю, из которой состоит мир вокруг нас. С тех пор, топологические фазы были интенсивно изучены в науке и технике. Множество новых классов материалов с квантовой топологии электронной структуры были найдены, в том числе топологических диэлектриков и полуметаллов Вейл. Однако, в то время как некоторые из самых захватывающих теоретические идеи требуют магнетизм, наиболее изучены материалы немагнитные и без квантования, в результате чего многие дразнящие возможности нереализованными.
«Обнаружение магнитного топологические материал с квантованного поведения является важным шагом вперед, который может открыть новые горизонты в освоении квантовой топологии для будущего фундаментальной физики и следующего поколения устройств исследований», — сказал М. Захид Хасан, Юджин Хиггинс профессор физики Принстонского университета, который возглавлял исследовательскую группу.
Хотя экспериментальные открытия были быстро делаются, теоретической физики отличились на развитие идей, ведущих к новым измерениям. Важные теоретические концепции на 2D топологических изоляторах были выдвинуты в 1988 году Ф. Дункан Холдейн, Томас Д. Джонс, профессор математической физики и Шермана Фэйрчайлда университет профессором физики в Принстоне, который в 2016 году присудили Нобелевскую премию по физике за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества. Последующие теоретические разработки показали, что топологический изолятор-таких магнетизма в специальном атомной организации, известной как в решетке кагоме может принять некоторые из самых странных квантовых эффектов.
Хасан и его команда была на десять лет-долгий поиск топологического магнитного квантового состояния, которое может также работать при комнатной температуре со времени их открытия из первых примеров трехмерных топологических изоляторов. Недавно они нашли решение материалы к гипотезе Холдейна в кагоме Магнит решетка, которая способна работать при комнатной температуре, которая также проявляет столь необходимый квантования. «Решетки кагоме могут быть разработаны, чтобы обладать переходов релятивистского диапазона и сильного электрон-электронного взаимодействия. Оба имеют важное значение для Романа магнетизма. Таким образом, мы поняли, что магниты кагоме-это перспективная система, в которой для поиска топологических фаз Магнит как они как топологические изоляторы, которые мы изучали раньше», — сказал Хасан.
Так долго, прямые материальные и экспериментальной визуализации этого явления остается неуловимой. Ученые обнаружили, что большинство магнитов кагоме было слишком сложным чтобы синтезировать, магнетизм не был достаточно хорошо понимал, нет решающих экспериментальных подписей топологии или квантования можно было наблюдать, или они работают только при очень низких температурах.
«Соответствующей атомной химии и дизайн магнитная структура в сочетании с первым-принципы теории является важным шагом, чтобы сделать спекулятивные предсказания Дункан Холдейн реально в высокотемпературной атмосфере», — говорит Хасан. «Есть сотни магниты кагоме, и нам нужны как интуиция, опыт, материалы, расчеты по конкретной разработке, и интенсивные экспериментальные усилия в поисках подходящего материала для углубленного изучения. А то взяли нас на десять лет-долгий путь.»
Через несколько лет интенсивных исследований на несколько семей топологических магниты (природа 562, 91 (2018); природа Уфн 15, 443 (2019), физ. Преподобный Летт. 123, 196604 (2019), Природа Коммуна. 11, 559 (2020), физ. Преподобный Летт. 125, 046401 (2020)), команда постепенно понял, что материал, изготовленный из тербия элементов, магния и олова (TbMn6Sn6) имеет идеальную кристаллическую структуру с химически чистым, квантово-механических свойств и пространственно отделены кагоме слоев решетки. Более того, он однозначно показывает сильное из плоскости намагничивания. С этого идеала кагоме Магнит успешно синтезированы в один большой кристалл уровень коллаборационистами из Шуан Цзя группы в Пекинском университете, Хасан группой начались систематические государство-оф-искусство измерения, чтобы проверить, есть ли кристаллы топологические и, что более важно, функции нужные экзотические кванта магнитного состояния.
Принстонская команда исследователей использовала передовую технику, известную как сканирующая туннельная микроскопия, которая способна зондирующего электронного и спинового волновых функций материала на суб-атомном уровне с суб-милливольтметр энергетическое разрешение. Под них дорабатывались условиях, исследователи определили магнитный кагоме атомов решетки кристалла, выводов, которые были в дальнейшем подтверждены государство-оф-искусство угла-разрешенной спектроскопии фотоэмиссии с разрешением обороты.
«Первой неожиданностью было то, что магнитная решетка кагоме в этот материал является очень чистым в нашем сканирующей туннельной микроскопии», — сказал Songtian Соня Чжан, соавтор исследования, которые заработал ее докторскую степень в Принстоне в начале этого года. «Экспериментальная визуализация таких дефектов магнитной решетки кагоме предлагает беспрецедентную возможность для изучения его внутренней топологические квантовые свойства».
Настоящий волшебный момент был, когда исследователи обратились на магнитное поле. Они обнаружили, что электронные состояния решетки кагоме резко модулировать, образуя уровни квантованной энергии в соответствии с топологией Дирака. Путем постепенного повышения магнитным полем 9 Тесла, который в сотни тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли, они систематически наметили выполнить квантование этот магнит. «Это крайне редкий случай, не было найдено, однако, найти топологические магнитные системы с схема квантуется. Он требует почти без дефектов магнитный материал дизайн, доработаны теории и передовой спектроскопических измерений», — заявила Нана Shumiya, аспирант и соавтор исследования.
Схема квантованного что команда измерить предоставляет точную информацию показательно, что электронный участок соответствует вариант модели Холдейна. Это подтверждает, что кристалл имеет спин-поляризованных Дираковских дисперсии с большим отрывом чернь, как и положено по теории топологических магниты. Однако, одна часть головоломки все-таки не хватает. «Если это действительно разрыв чернь, основываясь на фундаментальных топологических оптом-граница принципе мы должны наблюдать хиральных (одностороннее движение) государств на грань кристалла», — сказал Хасан.
Последний кусочек встало на свои места, когда исследователи по этой границе или краю Магнита. Они обнаружили четкую подпись пограничном состоянии только внутри энергетической щели чернь. Распространяющихся вдоль кристалла без видимых рассеяния (которая раскрывает ее характер бездиссипативных), состояние было подтверждено, чтобы быть киральных топологических краю государства. Имидж этого государства является беспрецедентным в предыдущем исследовании топологических магниты.
Исследователи в дальнейшем использовать другие инструменты, чтобы проверить и подтвердить свои выводы чернь гэп Дираковских фермионов, в том числе электрических транспортных измерений аномальных зале масштабирование, угол-решен фотоэмиссионной спектроскопии рассеяния Дирака в импульсном пространстве, и принципы вычисления топологического порядка в материальной семье. Данные предоставляются полный спектр взаимосвязанных доказательств, указывающих на реализацию квантово-ограничение фазы чернь в этот магнит кагоме. «Все кусочки подходят друг к другу на демонстрацию учебник физики чернь-гэп магнитный фермионы Дирака,» сказал Тайлер А. Кокран, аспирант и co-первый автор изучения.
Теперь теоретические и экспериментальные фокус-группы смещается на десятки соединений с аналогичными структурами в TbMn6Sn6 что хозяин кагоме решеток с различными магнитными структурами, каждый со своим индивидуальным квантовой топологии. «В нашей экспериментальной визуализации квантового фазового предела чернь демонстрирует доказательство методологический принцип, чтобы обнаружить новые топологические магниты», — сказал Цзя-Синь Инь, старший научный сотрудник и другой Co-первый автор изучения.
«Это походит на обнаружение воды в экзопланеты-это открывает новые границы топологической квантовой материи исследований нашей лаборатории в Принстоне была оптимизирована для,» сказал Хасан.
почувствуйте разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!