Observationen av ett onormalt tillstånd av materia i ett tvådimensionellt magnetiskt material är den senaste utvecklingen i kapplöpningen om att utnyttja nya elektroniska egenskaper för mer robusta och effektiva nästa generations enheter.

Neutronspridning vid Department of Energys (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hjälpte ett multiinstitutionellt team ledd av Tulane University att undersöka ett grafenliknande strontium-mangan-antimonmaterial (Sr. _1-år Mn _1-z Sb ₂ ) som är värd för vad forskare misstänker är en Weyl-halvmetallfas.

Egenskaperna hos Weyl-halvmetaller inkluderar både magnetism och topologiskt semimetallbeteende, där elektroner - eller laddningsbärare - är nästan masslösa och immuna mot ledningsdefekter. Teamets resultat publicerades i tidskriften Naturmaterial .

Neutronspridningsmätningarna vid högflödesisotopreaktorn, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, och magnetfältstudier vid Florida State Universitys National High Magnetic Field Laboratory avslöjade nyckelmekanistiska beteenden som underbygger kvantmaterialets förhållande mellan elektrontransport och magnetism.

"Weyl-halvmetaller är typ den heliga gralen i fysiken just nu, sa Alan Tennant, chefsforskare vid ORNL:s direktorat för neutronvetenskap. "Några av dessa typer av material visar kvantbeteende vid rumstemperatur, vilket är precis vad som måste uppnås för att ge en väg mot kvantelektronik."

Betydligt starkare än stål, och en utmärkt ledare av värme och elektricitet, grafen är ett mycket önskvärt byggmaterial för elektronik. Dock, den saknar traditionella magnetiska egenskaper som är nödvändiga för att uppnå större kontroll över elektrontransport. Det är därför forskare söker efter Weyl-halvmetaller, säger Qiang Zhang, en gästforskare från Louisiana State University (LSU) som arbetar i ORNL:s Shull Wollan Center – ett Joint Institute for Neutron Sciences.

"Weyl-halvmetaller är sällsynta, och de flesta av dem är omagnetiska. Vi hittade en som är magnetisk, ", sa Zhang. "Om vi ​​bättre kan förstå de elektroniska beteenden vi hittade i detta material, det kan avsevärt påskynda dator- och smarttelefonteknik."

Elektronerna i grafen har en känd egenskap:De bildar en "Dirac-kon", där deras momentum och energi är relaterade på ungefär samma sätt som händer i ljus.

Till skillnad från grafen, lagets material uppvisar traditionell magnetism, eller ferromagnetism, vilket betyder att elektronerna är inriktade i ett parallellt arrangemang som nord- och sydpolen på en typisk stavmagnet. Men den uppvisar också antiferromagnetism, där elektronerna pekar i motsatta riktningar till sina närliggande elektroner.

Magnetismen har en djupgående effekt, Tennant förklarar. Elektronernas motsatta rörelser får Dirac-konen att slita isär eller delas i två delar, så att två nya koner bildas. Detta bryter mot en princip som kallas tidsomkastningssymmetri, vilket innebär att systemet inte skulle vara detsamma om tiden rullades tillbaka. "Tänk på en snurra som går baklänges, " han säger.

När de två konerna bryter tidsomkastningssymmetrin, de inducerar ett Weyl-halvmetalltillstånd där elektronerna förlorar massa.

Betydelsen är att elektroner, som många partiklar, ha massa. På grund av det - förutom allt mindre storlekar av transistorer och liknande laddningsbärande material - har elektroner en tendens att flaskhalsar, eller skapa trafikstockningar. I Weyl halvmetaller, elektronerna är mer som laddningsbärare som beter sig som om de är nästan masslösa, vilket gör dem mycket mobila.

Undersöker en liten, högkvalitativ kristall odlad vid Tulane University, laget kunde bestämma den magnetiska strukturen för Sr1-yMn1-zSb2, med hjälp av neutroner vid Four-Circle Diffractometer-instrumentet vid High Flux Isotope Reactor.

Neutroner är idealiska verktyg för att identifiera och karakterisera magnetism i nästan alla material, eftersom de, som elektroner, uppvisa ett flöde av magnetism som kallas "spin".

"Vi upptäckte två typer av ferromagnetiska ordningar och hittade experimentella bevis på att tidsomkastningssymmetrin bryts, skapar troligen ett Weyl-tillstånd i Sr1-yMn1-zSb2. Detta gör detta system till en underbar kandidat för att studera effekten av tidsomkastningssymmetri som bryter på den elektroniska bandstrukturen, " sa Zhang.