Vissa material, som koppar, leda ström mycket bra. Andra material, som glas, låt bli. En viss typ av material, kallas en topologisk isolator, fungerar delvis som den ena och delvis som den andra - den beter sig som en ledare på sin yta och en isolator i sitt inre.

På grund av topologiska isolatorers unika elektroniska egenskaper och deras potentiella användning i spintroniska enheter och till och med tänkbara som transistorer för kvantdatorer, forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory är intresserade av att undersöka det speciella förhållandet mellan två egenskaper hos de ledande ytelektronerna i dessa material.

I topologiska isolatorer, spinn och rörelsemängd för varje ytelektron är så nära sammankopplade att på vetenskapligt språk, de är låsta för varandra. "Spin-momentum låsning är som att ha en basketboll som måste rotera i en specifik riktning beroende på dess bana nerför banan, "sa Argonne materialvetare Olle Heinonen." Eftersom en elektron också bär ett magnetiskt moment, du kan använda spin-momentum-låsning för att manipulera magnetiska system mycket effektivt."

Den elektroniska strukturen hos topologiska isolatorer, inklusive detaljerna för spin-momentum-låsning, kan återspeglas i elektronernas transportbeteende i materialen. För att utforska det nya beteendet hos elektroner i de topologiska materialen, Argonne-forskare arbetade med forskare vid National University of Singapore, som utförde ett transportexperiment som gav ett nytt perspektiv på den topologiskt skyddade elektroniska strukturen.

Heinonen och tidigare Argonne-postdoktor Shulei Zhang beskrev hur i transportexperimentet ett magnetfält som appliceras i planet av en tunn film av en topologisk isolator kan skapa en spänning i riktningen vinkelrät mot den pålagda elektriska strömmen – ett fenomen som kallas en olinjär plan Hall effekt. Genom att variera magnetfältets riktning och intensitet, Argonne-forskarna och deras kollegor kunde från den resulterande resistansinformationen fastställa hur elektronerna är fördelade i termer av deras momenta och spin.

"Om du vet hur magnetfält som appliceras i olika riktningar skulle påverka den uppmätta olinjära Hall-strömmen, du kan använda vår teoretiska modell för att kartlägga hur elektronernas momenta och spinn är fördelade, " sa Zhang. "Då, på grund av hur vi kan se mer exakt hur de elektromagnetiska fälten interagerar med ytledningselektronerna, vi kan få mycket mer detaljerad information om den elektroniska ytstrukturen hos topologiska isolatorer."

Kopplingen mellan den olinjära plana Hall-effekten och de topologiska yttillstånden med spin-momentum-låsning är, enligt Heinonen, ett "makroskopiskt-mikroskopiskt förhållande".

"Det ger oss verkligen en titt under huven, " han sa.

Ett papper baserat på studien, "Icke-linjär planar halleffekt, " dök upp i onlineupplagan den 1 juli av Fysiska granskningsbrev .