Argonne-forskare har identifierat en ny klass av topologiska material gjorda genom att sätta in övergångsmetallatomer i atomgitteret av ett välkänt tvådimensionellt material.

Under de senaste åren har forskare har blivit fascinerade av en ny typ av material som visar ett slags ovanligt och splittrat beteende. Dessa strukturer, kallas topologiska material, kan visa olika egenskaper på ytan än i sin bulk. Detta beteende har uppmärksammats av forskare som är intresserade av nya materiella tillstånd och teknologer som är intresserade av potentiella elektroniska och spintroniska applikationer.

I en ny studie från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har identifierat en ny klass av topologiska material gjorda genom att sätta in övergångsmetallatomer i atomgitteret av niobiumdiselenid (NbS ₂ ), ett välkänt tvådimensionellt material. De fann att CoNb ₃ S ₆ , ett antiferromagnetiskt material, uppvisar en extremt stor avvikande Hall -effekt, ett tecken på materialens topologiska karaktär.

Den vanliga Hall -effekten förekommer i alla elektriska ledare. Effekten är i huvudsak en kraft som en elektron upplever när den rör sig genom ett magnetfält. "I varje metall, elektroner kommer att skjutas vinkelrätt mot sin färdriktning och vinkelrätt mot ett applicerat externt magnetfält, skapa en spänning, "sa Nirmal Ghimire, en biträdande professor vid George Mason University och en nyligen postadoktor i Argonne -direktör som var den första författaren till studien. "Om själva materialet är en ferromagnet, ett ytterligare bidrag överlagrar den vanliga Hall -spänningen; detta är känt som den anomaliska Hall -effekten (AHE). "

I studien, Ghimire och hans kollegor tittade på CoNb ₃ S ₆ och hittade något oväntat:en stor AHE i blygsamma magnetfält. "En AHE kan också hittas i material där den elektroniska strukturen har speciella egenskaper som kallas topologiska egenskaper, "sa Ghimire." Konfigurationen av atomer i gallret skapar symmetrier i materialet som leder till skapandet av topologiska band - energiområden som elektroner bor i. Det är dessa band, i vissa konfigurationer, som kan leda till en exceptionellt stor AHE. "

Baserat på beräkningar och mätningar, Ghimire och hans kollegor föreslår att CoNb ₃ S ₆ innehåller dessa topologiska band.

"De topologiska egenskaperna härrör från en kombination av materialets symmetri, liksom den rätta elektronkoncentrationen för att sätta dessa topologiska egenskaper på Fermi -nivån, vilket är det högsta tillgängliga elektroniska energiläget vid noll temperatur, "noterade John Mitchell, interim chef för Argonne's Materials Science division och en medförfattare till studien.

"Endast en handfull material har hittills visat sig ha de nödvändiga karakteristiska topologiska punkterna nära Fermi -nivån, "Mitchell sa." För att hitta mer krävs en förståelse för både materialets fysik och kemi. "

Upptäckten kan bana väg för framtida framsteg inom en bred klass av material, enligt Mitchell. "Vi har nu en designregel för att tillverka material som visar dessa egenskaper, "sa han." CoNb ₃ S ₆ är medlem i en stor klass av skiktade tvådimensionella material och så kan detta öppna dörren till ett stort utrymme av ny topologisk materia. "