I många material, elektrisk motstånd och spänningsförändring i närvaro av ett magnetfält, varierar vanligtvis smidigt när magnetfältet roterar. Detta enkla magnetiska svar ligger till grund för många applikationer, inklusive kontaktlös strömavkänning, rörelsedetektering, och datalagring. I en kristall, sättet att laddningen och centrifugeringen av dess elektroner justeras och interagerar ligger bakom dessa effekter. Med hjälp av anpassningens karaktär, kallas symmetri, är en viktig ingrediens i utformningen av ett funktionellt material för elektronik och det framväxande området spinnbaserad elektronik (spintronics).

Nyligen har ett team av forskare från MIT, franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning (CNRS) och École Normale Supérieure (ENS) de Lyon, University of California i Santa Barbara (UCSB), Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), och NIST Center for Neutron Research, ledd av Joseph G. Checkelsky, biträdande professor i fysik vid MIT, har upptäckt en ny typ av magnetiskt driven elektrisk respons i en kristall bestående av cerium, aluminium, germanium, och kisel.

Vid temperaturer under 5,6 kelvin (motsvarande -449,6 grader Fahrenheit), dessa kristaller visar en kraftig förbättring av elektrisk resistivitet när magnetfältet är exakt inriktat inom en vinkel på 1 grad längs kristallens högsymmetri riktning. Denna effekt, som forskarna har benämnt "singular angular magnetoresistance, "kan tillskrivas symmetrin - i synnerhet ordningen av ceriumatomernas magnetiska moment. Deras resultat publiceras idag i tidskriften Vetenskap .

Nytt svar och symmetri

Som en gammaldags klocka utformad för att klocka klockan 12:00 och inte på någon annan position i händerna, den nyupptäckta magnetoresistansen inträffar endast när riktningen, eller vektor, magnetfältet pekar rakt i linje med högsymmetriaxeln i materialets kristallstruktur. Vrid magnetfältet mer än en grad från den axeln och motståndet sjunker snabbt.

"I stället för att svara på de enskilda komponenterna i magnetfältet som ett traditionellt material, här svarar materialet på den absoluta vektorriktningen, "säger Takehito Suzuki, en forskare i Checkelsky -gruppen som syntetiserade dessa material och upptäckte effekten. "Den observerade skarpa förbättringen, som vi kallar singular angular magnetoresistance, innebär en distinkt stat som endast uppnås under dessa förhållanden. "

Magnetoresistans är en förändring av ett materials elektriska motstånd som svar på ett applicerat magnetfält. En relaterad effekt som kallas gigantisk magnetoresistans är grunden för moderna datorhårddiskar och dess upptäckare tilldelades Nobelpriset 2007.

"Den observerade förbättringen är så starkt begränsad till magnetfältet längs den kristallina axeln i detta material att det starkt föreslår att symmetri spelar en kritisk roll, "Lucile Savary, permanent CNRS -forskare vid ENS de Lyon, lägger till. Savary var Betty och Gordon Moore postdoktor vid MIT 2014-17, när laget började samarbeta.

För att belysa symmetriens roll, det är avgörande att se inriktningen av de magnetiska stunderna, för vilka Suzuki och Jeffrey Lynn, NIST -kollega, utförde pulverneutrondiffraktionsstudier på BT-7-trippelaxelspektrometern vid NIST Center for Neutron Research (NCNR). Forskargruppen använde NCNR:s neutrondiffraktionsförmåga för att bestämma materialets magnetiska struktur, som spelar en väsentlig roll för att förstå dess topologiska egenskaper och naturen hos de magnetiska domänerna. Ett "topologiskt tillstånd" är ett tillstånd som är skyddat från vanlig störning. Detta var en nyckelfaktor för att reda ut mekanismen för det enstaka svaret.

Baserat på det observerade beställningsmönstret, Savary och Leon Balents, professor och permanent medlem i Kavli Institute of Theoretical Physics vid UCSB, konstruerat en teoretisk modell där den spontana symmetribrytningen orsakad av magnetmomentet som ordnar par till magnetfältet och den topologiska elektroniska strukturen. Som en konsekvens av kopplingen, växling mellan de enhetligt ordnade låg- och högresistivitetstillstånden kan manipuleras med exakt kontroll av magnetfältets riktning.

"Modellens överensstämmelse med de experimentella resultaten är enastående och var nyckeln till att förstå vad som var en mystisk experimentell observation, säger Checkelsky, tidningens författare.

Fenomenets universalitet

"Den intressanta frågan här är om den singulära vinkelmagnetoresistansen kan observeras i stor utsträckning i magnetiska material eller inte. om denna funktion kan observeras allestädes närvarande, vad är den viktigaste ingrediensen för att konstruera materialen med denna effekt, Säger Suzuki.

Den teoretiska modellen indikerar att det singulära svaret verkligen kan hittas i andra material och förutspår materialegenskaper som är fördelaktiga för att förverkliga denna funktion. En av de viktiga ingredienserna är en elektronisk struktur med ett litet antal gratisavgifter, som förekommer i en punktliknande elektronisk struktur som kallas nodal. Materialet i denna studie har så kallade Weyl-poäng som uppnår detta. I sådana material, det tillåtna elektronmomentet beror på konfigurationen av den magnetiska ordningen. Sådan styrning av momenta för dessa laddningar med den magnetiska frihetsgraden gör att systemet kan stödja omkopplingsbara gränssnittsområden där momenten inte matchar domäner av olika magnetisk ordning. Denna felaktighet leder också till den stora ökningen av resistens som observerats i denna studie.

Denna analys stöds vidare av de första principerna elektronisk strukturberäkning utförd av Jianpeng Liu, forskningsassistent professor vid HKUST, och Balents. Med hjälp av mer traditionella magnetiska element som järn eller kobolt, snarare än cerium av sällsynt jordart, kan erbjuda en potentiell väg till högre temperaturobservation av den singulära vinkelmagnetoresistanseffekten. Studien utesluter också en förändring av atomernas uppläggning, kallas en strukturell fasövergång, som en orsak till förändringen i resistiviteten hos det ceriumbaserade materialet.

Kenneth Burch, doktorandprogramdirektör och docent i fysik vid Boston College, vars laboratorium undersöker Weyl -material, konstaterar:"Upptäckten av anmärkningsvärd känslighet för magnetisk vinkel är ett helt oväntat fenomen i denna nya materialklass. Detta resultat tyder inte bara på nya tillämpningar av Weyl -halvmetaller vid magnetisk avkänning, men den unika kopplingen av elektronisk transport, kiralitet och magnetism. "Kiralitet är en aspekt av elektroner relaterade till deras snurr som ger dem antingen en vänster- eller högerhänt orientering.

Upptäckten av denna skarpa men snävt begränsade motståndstopp kan så småningom användas av ingenjörer som ett nytt paradigm för magnetiska sensorer. Anteckningar Checkelsky, "En av de spännande sakerna om grundläggande upptäckter inom magnetism är potentialen för snabba antaganden av ny teknik. Med designprinciperna nu i handen, vi kastar ett brett nät för att hitta detta fenomen i mer robusta system för att låsa upp denna potential. "