Ett team av amerikanska och koreanska fysiker har hittat det första beviset på ett tvådimensionellt material som kan bli en magnetisk topologisk isolator även om det inte placeras i ett magnetfält.

"Många olika kvant- och relativistiska egenskaper hos rörliga elektroner är kända i grafen, och människor har varit intresserade, "Kan vi se dessa i magnetiska material som har liknande strukturer?", Säger Rice Universitys Pengcheng Dai, medförfattare till en studie om materialet som publicerats i tidskriften American Physical Society PRX . Dai, vars team inkluderade forskare från Rice, Korea University, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och National Institute of Standards and Technology, sade kromstriiodiden (CrI ₃ ) som används i den nya studien "är precis som bikakan av grafen, men det är en magnetisk honungskaka. "

I experiment på ORNL:s Spallation Neutron Source, CrI ₃ prover bombades med neutroner. En spektroskopisk analys som gjordes under testerna avslöjade närvaron av kollektiva spin -excitationer kallade magnoner. Snurra, en inneboende egenskap hos alla kvanteobjekt, är en central aktör inom magnetism, och magnonerna representerar en specifik typ av kollektivt beteende av elektroner på kromatomerna.

"Strukturen för denna magnon, hur magnetvågan rör sig runt i detta material, är ganska lik hur elektronvågor rör sig i grafen, "sa Dai, professor i fysik och astronomi och medlem i Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Både grafen och CrI3 innehåller Dirac -punkter, som endast existerar i de elektroniska bandstrukturerna i vissa tvådimensionella material. Uppkallad efter Paul Dirac, som hjälpte till att förena kvantmekanik med allmän relativitet på 1920 -talet, Dirac -punkter är funktioner där elektroner rör sig med relativistiska hastigheter och beter sig som om de har noll massa. Diracs arbete spelade en avgörande roll för fysikernas förståelse av både elektronspinn och elektronbeteende i 2-D topologiska isolatorer, bisarra material som lockade 2016 års nobelpris i fysik.

Elektroner kan inte flöda genom topologiska isolatorer, men kan zip runt sina endimensionella kanter på "edge-mode" motorvägar. Materialen drar sitt namn från en gren av matematik som kallas topologi, som Nobelisten Duncan Haldane 2016 använde för att förklara kantmodsledning i ett betydande 1988-papper som innehöll en 2-D-bikakemodell med en struktur som var anmärkningsvärt lik grafen och CrI ₃ .

"Dirac -punkten är där elektroner rör sig precis som fotoner, med noll effektiv massa, och om de rör sig längs de topologiska kanterna, det blir inget motstånd, "säger studieförfattaren Jae-Ho Chung, en gästprofessor vid Rice och professor i fysik vid Korea University i Seoul, Sydkorea. "Det är den viktiga punkten för spridningslösa spintroniska applikationer."

Spintronics är en växande rörelse inom solid state-elektronikgemenskapen för att skapa spinnbaserad teknik för beräkning, kommunikation och informationslagring med mera. Topologiska isolatorer med magnonkanttillstånd skulle ha en fördel jämfört med dem med elektroniska kanttillstånd eftersom de magnetiska versionerna inte skulle producera någon värme, Sa Chung.

Strängt talat, magnoner är inte partiklar utan kvasipartiklar, kollektiva excitationer som uppstår från beteendet hos en mängd andra partiklar. En analogi skulle vara "vågen" som folkmassor ibland uppträder på sportstadioner. Tittar på en enda fläkt, man skulle helt enkelt se en person regelbundet stå, lyfter armarna och sätter sig tillbaka. Bara genom att titta på hela publiken kan man se "vågen".

"Om du bara tittar på ett elektronspinn, det kommer att se ut som om det slumpmässigt vibrerar, "Sa Chung." Men enligt rektorerna för solid-state fysik, denna tydligen slumpmässiga vingling består av exakta vågor, väldefinierade vågor. Och det spelar ingen roll hur många vågor du har, bara en viss våg kommer att bete sig som en foton. Det är vad som händer runt den så kallade Dirac-punkten. Allt annat är bara en enkel snurrvåg. Endast runt denna Dirac -punkt kommer magnonen att bete sig som en foton. "

Dai sa att bevisen för topologiska spinn excitationer i CrI ₃ är särskilt spännande eftersom det är första gången sådana bevis har setts utan att ett externt magnetfält appliceras.

"Det fanns ett papper tidigare där något liknande observerades genom att applicera ett magnetfält, men vår var den första observationen i nollfält, "sa han." Vi tror att detta beror på att materialet har ett inre magnetfält som gör att detta kan hända. "

Dai och Chung sa att det inre magnetfältet härrör från elektroner som rör sig nära relativistiska hastigheter i närheten av protonerna i kärnorna i krom- och jodatomerna.

"Dessa elektroner rör sig själva, men på grund av relativitet, i sin referensram, de känner inte att de rör sig, "Sa Dai." De står bara där, och deras omgivning går väldigt snabbt. "

Chung sa, "Denna rörelse känner faktiskt de omgivande positiva laddningarna som en ström som rör sig runt den, och det, kopplad till elektronens snurr, skapar magnetfältet. "

Dai sa att testerna på ORNL involverade kylning av CrI ₃ prover till under 60 Kelvin och bombardera dem med neutroner, som också har magnetiska ögonblick. Neutroner som passerade tillräckligt nära en elektron i provet kan sedan excitera spinnvågs excitationer som kan läsas med en spektrometer.

"Vi mätte hur spinnvågan förökar sig, "sa han." I huvudsak när du vrider den här snurren, hur mycket svarar de andra snurrarna. "

För att säkerställa att neutroner samverkar i tillräckligt antal med proverna, Ris doktorand och studiehuvudförfattare Lebing Chen tillbringade tre månader med att perfekta ett recept för att producera platta ark med CrI ₃ i en högtemperaturugn. Tillagningstiden för varje prov var cirka 10 dagar, och att kontrollera temperaturvariationer i ugnen visade sig vara kritiskt. Efter att receptet var perfekt, Chen fick sedan noggrant stapla, justera och limma ihop 40 lager av materialet. Eftersom hexagonerna i varje lager måste vara exakt inriktade, och inriktningen kunde bara bekräftas med Laue röntgendiffraktion, varje liten justering kan ta en timme eller mer.

"Vi har inte bevisat att topologiska transporter finns där, "Sa Dai." I kraft av att ha de spektra som vi har, vi kan nu säga att det är möjligt att ha detta kantläge, men vi har inte visat att det finns ett kantläge. "

Forskarna sa att magnontransportförsök kommer att behövas för att bevisa att kantläget finns, och de hoppas att deras resultat uppmuntrar andra grupper att försöka dessa experiment.