Ett motiv av japansk korgvävning som kallas kagomönstret har upptaget fysiker i årtionden. Kagome -korgar är vanligtvis gjorda av remsor av bambu vävda i ett mycket symmetriskt mönster av sammanflätade, hörndelande trianglar.

Om en metall eller annat ledande material kunde få en att likna ett sådant kagomönster i atomskala, med individuella atomer arrangerade i liknande triangulära mönster, det borde i teorin uppvisa exotiska elektroniska egenskaper.

I en artikel publicerad idag Natur , fysiker från MIT, Harvard Universitet, och Lawrence Berkeley National Laboratory rapporterar att de för första gången har producerat en kagomemetall - en elektriskt ledande kristall, gjorda av lager av järn och tennatomer, med varje atomskikt arrangerat i det upprepande mönstret för ett kagomegitter.

När de flödade en ström över kagomskikten i kristallen, forskarna observerade att det triangulära arrangemanget av atomer framkallade konstiga, kvantliknande beteenden i förbigående ström. Istället för att rinna rakt igenom gallret, elektroner svängde istället, eller böjd bakåt i gallret.

Detta beteende är en tredimensionell kusin till den så kallade Quantum Hall-effekten, där elektroner som flyter genom ett tvådimensionellt material kommer att uppvisa en "kiral, topologiskt tillstånd, "där de böjer sig tätt, cirkulära banor och flöda längs kanterna utan att förlora energi.

"Genom att bygga kagome -nätverket av järn, som i sig är magnetisk, detta exotiska beteende kvarstår till rumstemperatur och högre, "säger Joseph Checkelsky, biträdande professor i fysik vid MIT. "Laddningarna i kristallen känner inte bara magnetfält från dessa atomer, men också en rent kvantmekanisk magnetisk kraft från gallret. Detta kan leda till perfekt ledning, besläktad med supraledning, i kommande generationer av material. "

För att utforska dessa fynd, laget mätte energispektrumet inom kristallen, med hjälp av en modern version av en effekt som först upptäcktes av Heinrich Hertz och förklarades av Einstein, känd som den fotoelektriska effekten.

"I grunden elektronerna matas först ut från materialets yta och detekteras sedan som en funktion av startvinkel och kinetisk energi, säger Riccardo Comin en biträdande professor i fysik vid MIT. "De resulterande bilderna är en mycket direkt ögonblicksbild av de elektroniska nivåerna som upptas av elektroner, och i detta fall avslöjade de skapandet av nästan masslösa "Dirac" -partiklar, en elektriskt laddad version av fotoner, ljusets kvanta. "

Spektra avslöjade att elektroner flödar genom kristallen på ett sätt som tyder på att de ursprungligen masslösa elektronerna fick en relativistisk massa, liknande partiklar som kallas massiva Dirac fermioner. Teoretiskt sett detta förklaras av närvaron av gitterets bestående järn- och tennatomer. De förstnämnda är magnetiska och ger upphov till en "handlighet, "eller kiralitet. De senare har en tyngre kärnkraftsladdning, producerar ett stort lokalt elfält. När en extern ström strömmar förbi, det känner av tennens fält inte som ett elektriskt fält utan som ett magnetiskt, och böjer sig bort.

Forskargruppen leddes av Checkelsky och Comin, liksom forskarstuderande Linda Ye och Min Gu Kang i samarbete med Liang Fu, Biedenharn docent i fysik, och postdoc Junwei Liu. I teamet ingår också Christina Wicker '17, forskare Takehito Suzuki från MIT, Felix von Cube och David Bell från Harvard, och Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, och Eli Rotenberg från Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Ingen alkemi krävs"

Fysiker har i decennier teoretiserat att elektroniska material kan stödja exotiskt Quantum Hall -beteende med sin inneboende magnetiska karaktär och gittergeometri. Det var inte förrän för flera år sedan som forskare gjorde framsteg med att förverkliga sådana material.

"Samhället insåg, varför inte göra systemet av något magnetiskt, och då kan systemets inneboende magnetism kanske driva detta beteende, säger Checkelsky, som då arbetade som forskare vid Tokyos universitet.

Detta eliminerade behovet av laboratorieproducerade fält, vanligtvis 1 miljon gånger så stark som jordens magnetfält, behövs för att observera detta beteende.

"Flera forskargrupper kunde framkalla en Quantum Hall -effekt på detta sätt, men fortfarande vid ultrakylda temperaturer några grader över den absoluta nollan - resultatet av skohornsmagnetism till ett material där det inte naturligt förekommit, "Säger Checkelsky.

På MIT, Checkelsky har istället letat efter sätt att driva detta beteende med "inneboende magnetism". En viktig insikt, motiverad av doktorandarbetet av Evelyn Tang PhD '15 och professor Xiao-Gang Wen, var att söka detta beteende i kagomegitteret. Att göra så, första författaren Ni malar ihop järn och tenn, värmde sedan det resulterande pulvret i en ugn, producerar kristaller vid cirka 750 grader Celsius - temperaturen vid vilken järn- och tennatomer föredrar att arrangera i ett kagomliknande mönster. Hon nedsänkte sedan kristallerna i ett isbad för att gittermönstren skulle kunna förbli stabila vid rumstemperatur.

"Kagomemönstret har stora tomma utrymmen som kan vara lätta att väva för hand, men är ofta instabila i kristallina fasta ämnen som föredrar den bästa packningen av atomer, "Ni säger." Tricket här var att fylla dessa tomrum med en andra typ av atom i en struktur som var minst stabil vid höga temperaturer. Att inse dessa kvantmaterial behöver inte alkemi, men istället materialvetenskap och tålamod. "

Böjer och hoppar mot noll-energiförlust

När forskarna väl odlade flera prover av kristaller, var och en ungefär en millimeter bred, de överlämnade proverna till medarbetare vid Harvard, som avbildade de enskilda atomskikten i varje kristall med hjälp av transmissionselektronmikroskopi. De resulterande bilderna avslöjade att arrangemanget av järn- och tennatomer i varje lager liknade de trekantiga mönstren i kagomegitteret. Specifikt, järnatomer placerades i hörnen av varje triangel, medan en enda tennatom satt inom det större sexkantiga utrymmet som skapades mellan de sammanflätade trianglarna.

Därefter sprang ni en elektrisk ström genom de kristallina skikten och övervakade deras flöde via elektriska spänningar de producerade. Hon fann att avgifterna avböjde på ett sätt som verkade tvådimensionellt, trots kristallernas tredimensionella natur. Det slutgiltiga beviset kom från fotoelektronförsöken som utfördes av medförfattaren Kang som, i samklang med LBNL -teamet, kunde visa att de elektroniska spektren motsvarade effektivt tvådimensionella elektroner.

"När vi tittade noga på de elektroniska banden, vi märkte något ovanligt, "Kang tillägger." Elektronerna i detta magnetiska material betedde sig som massiva Dirac -partiklar, något som hade förutsetts för länge sedan men aldrig setts tidigare i dessa system. "

"Detta materials unika förmåga att sammanväva magnetism och topologi tyder på att de mycket väl kan framkalla andra framväxande fenomen, "Comin säger." Vårt nästa mål är att upptäcka och manipulera kanttillstånden som är själva konsekvensen av den topologiska naturen hos dessa nyupptäckta kvantelektroniska faser. "

Tittar längre, laget undersöker nu sätt att stabilisera andra mer mycket tvådimensionella kagomegitterstrukturer. Sådana material, om de kan syntetiseras, kan användas för att utforska inte bara enheter med noll energiförlust, såsom avledningsfria kraftledningar, men också applikationer för kvantberäkning.

"För nya riktningar inom kvantinformationsvetenskap finns det ett växande intresse för nya kvantkretsar med vägar som är spridningslösa och kirala, "Checkelsky säger." Dessa kagome metaller erbjuder en ny materialdesignväg för att förverkliga sådana nya plattformar för kvantkretsar. "