Ett internationellt team av forskare ledda av forskare vid Princeton University har funnit att ett magnetiskt material vid rumstemperatur gör det möjligt för elektroner att bete sig kontraintuitivt, agerar kollektivt snarare än som individer. Deras kollektiva beteende härmar masslösa partiklar och antipartiklar som samexisterar på ett oväntat sätt och tillsammans bildar en exotisk slingliknande struktur.

Nyckeln till detta beteende är topologi - en gren av matematiken som redan är känd för att spela en kraftfull roll för att diktera beteendet hos elektroner i kristaller. Topologiska material kan innehålla masslösa partiklar i form av ljus, eller fotoner. I en topologisk kristall, elektronerna beter sig ofta som långsammare ljus ändå, till skillnad från ljus, bära elektrisk laddning.

Topologi har sällan observerats i magnetiska material, och att hitta ett magnetiskt topologiskt material vid rumstemperatur är ett steg framåt som kan låsa upp nya metoder för att utnyttja topologiskt material för framtida tekniska tillämpningar.

"Innan detta arbete, bevis för de topologiska egenskaperna hos magneter i tre dimensioner var inte övertygande. Dessa nya resultat ger oss direkta och avgörande bevis för detta fenomen på mikroskopisk nivå, sade M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton, som ledde forskningen. "Detta arbete öppnar upp en ny kontinent för utforskning av topologiska magneter."

Hasan och hans team tillbringade mer än ett decennium med att studera kandidatmaterial i sökandet efter ett topologiskt magnetiskt kvanttillstånd.

"Fysiken för bulkmagneter har varit förstått i många decennier. En naturlig fråga för oss är:Kan magnetiska och topologiska egenskaper tillsammans producera något nytt i tre dimensioner?" sa Hasan.

Det finns tusentals magnetiska material, men de flesta hade inte de korrekta egenskaperna, fann forskarna. Magneterna var för svåra att syntetisera, magnetismen var inte tillräckligt väl förstått, den magnetiska strukturen var för komplicerad för att modellera teoretiskt, eller inga avgörande experimentella signaturer av topologin kunde observeras.

Sedan kom en lycklig vändpunkt.

"Efter att ha studerat många magnetiska material, vi utförde en mätning på en klass av rumstemperaturmagneter och såg oväntat signaturer av masslösa elektroner, sade Ilja Belopolski, en postdoktor i Hasans laboratorium och medförfattare till studien. "Det satte oss på vägen till upptäckten av den första tredimensionella topologiska magnetfasen."

Den exotiska magnetiska kristallen består av kobolt, mangan och gallium, ordnade på ett ordnat sätt, upprepande tredimensionella mönster. För att utforska materialets topologiska tillstånd, forskarna använde en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi. I detta experiment, högintensivt ljus lyser på provet, tvingar elektroner att emittera från ytan. Dessa utsända elektroner kan sedan mätas, ger information om hur elektronerna betedde sig när de var inuti kristallen.

"Det är en extremt kraftfull experimentell teknik, som i detta fall tillät oss att direkt observera att elektronerna i denna magnet beter sig som om de är masslösa. Dessa masslösa elektroner är kända som Weyl-fermioner, sa Daniel Sanchez, en Princeton gästforskare och Ph.D. student vid Köpenhamns universitet, och en annan förste författare till studien.

En viktig insikt kom när forskarna studerade Weyl-fermionerna närmare och insåg att magneten var värd för en oändlig serie av distinkta masslösa elektroner som tar formen av en slinga, med vissa elektroner som efterliknar egenskaper hos partiklar och några av antipartiklar. Elektronernas kollektiva kvantbeteende har betecknats som en magnetisk topologisk Weyl fermionslinga.

"Det är verkligen ett exotiskt och nytt system, " sa Guoqing Chang, en postdoktor i Hasans grupp och medförfattare till studien. "Det kollektiva elektronbeteendet i dessa partiklar liknar inte något som vi känner till i vår vardagliga erfarenhet - eller ens i erfarenheten av partikelfysiker som studerar subatomära partiklar. Här har vi att göra med emergenta partiklar som lyder olika naturlagar."

Det visar sig att en viktig drivkraft för dessa egenskaper är en matematisk storhet som beskriver den oändliga serien av masslösa elektroner. Forskarna kunde fastställa topologins roll genom att observera subtila förändringar i skillnaden i beteendet hos elektroner som lever på ytan av provet och djupare i dess inre. Tekniken för att demonstrera topologiska kvantiteter genom kontrasterna mellan yt- och bulkegenskaper var banbrytande av Hasans grupp och användes för att detektera Weyl-fermioner, ett fynd publicerat 2015. Teamet använde nyligen en analog metod för att upptäcka en topologisk kiral kristall, arbete publicerat i tidningen Natur tidigare i år som också leddes av Hasans grupp i Princeton och inkluderade Daniel Sanchez, Guoqing Chang och Ilya Belopolski som ledande författare.

Teoretiska förutsägelser

Förhållandet mellan topologin och magnetiska kvantslingpartiklar undersöktes i Hasan -gruppens teoretiska förutsägelser som publicerades i oktober 2017 i Fysiska granskningsbrev . Dock, gruppens teoretiska intresse för topologiska magneter går mycket tidigare tillbaka till teoretiska förutsägelser publicerade i Naturmaterial 2010. Dessa teoretiska arbeten av Hasans grupp finansierades av U.S. Department of Energys kontor för grundläggande energivetenskaper.

"Detta arbete representerar kulmen på ungefär ett decennium av att försöka förverkliga en topologisk magnetisk kvantfas i tre dimensioner, Sa Hasan.

2016, Duncan Haldane, Princetons Sherman Fairchild University professor i fysik, vann Nobelpriset i fysik för sina teorier som förutsäger egenskaperna hos ett- och tvådimensionellt topologiskt material.

En viktig aspekt av resultatet är att materialet behåller sin magnetism upp till 400 grader Celsius – långt över rumstemperatur – vilket uppfyller ett nyckelkrav för verkliga tekniska tillämpningar.

"Innan vårt arbete, topologiska magnetiska egenskaper observerades vanligtvis när de tunna filmerna av material var extremt kalla - en bråkdel av en grad över absolut noll - vilket krävde specialiserad utrustning helt enkelt för att uppnå de nödvändiga temperaturerna. Även en liten mängd värme skulle termiskt destabilisera det topologiska magnetiska tillståndet, Hasan sa. "Kvantmagneten som studeras här uppvisar topologiska egenskaper vid rumstemperatur."

En topologisk magnet i tre dimensioner avslöjar sina mest exotiska signaturer endast på sin yta – elektronvågsfunktioner tar formen av trumskinn. Detta saknar motstycke i tidigare kända magneter och utgör den avslöjade signaturen för en topologisk magnet. Forskarna observerade sådana trumhuvudformade elektroniska tillstånd i sina data, tillhandahåller det avgörande avgörande beviset för att det är ett nytt tillstånd.

Patrick Lee, William &Emma Rogers professor i fysik vid Massachusetts Institute of Technology, som inte var inblandad i studien, kommenterade vikten av fyndet. "Princeton-gruppen har länge legat i framkant när det gäller att upptäcka nya material med topologiska egenskaper, "Sa Lee. "Genom att utöka detta arbete till en rumstemperatur ferromagnetisk och demonstrera förekomsten av en ny typ av trumskinns yttillstånd, detta arbete öppnar upp en ny domän för ytterligare upptäckter."

För att förstå deras resultat, forskarna studerade arrangemanget av atomer på ytan av materialet med hjälp av flera tekniker, till exempel att kontrollera efter rätt typ av symmetri med hjälp av skanningstunnelmikroskopet i Hasans laboratorium för topologiskt kvantämne och avancerad spektroskopi i källaren i Princetons Jadwin Hall.

En viktig bidragsgivare till fyndet var den banbrytande spektroskopiutrustningen som användes för att genomföra experimentet. Forskarna använde en dedikerad fotoemissionsspektroskopistrållinje som nyligen byggdes vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, del av SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, Kalifornien.

"Ljuset som används i SLAC-fotoemissionsexperimentet är extremt starkt och fokuserat ner till en liten fläck som bara är flera tiotals mikrometer i diameter, ", sa Belopolski. "Detta var viktigt för studien."

Arbetet utfördes i nära samarbete med gruppen av professor Hsin Lin vid Institutet för fysik, Academia Sinica i Taiwan, och professor Claudia Felser vid Max Planck Institute for the Chemical Physics of Solids i Dresden, Tyskland, inklusive postdoktor Kaustuv Manna som medförsta författare.

Drivs av den lockande möjligheten med applikationer, forskarna gick ett steg längre och applicerade elektromagnetiska fält på den topologiska magneten för att se hur den skulle reagera. De observerade ett exotiskt elektromagnetiskt svar upp till rumstemperatur, som direkt kunde spåras tillbaka till kvantslingans elektroner.

"Vi har många topologiska material, men bland dem har det varit svårt att visa ett tydligt elektromagnetiskt svar som härrör från topologin, Hasan tillade. "Här har vi kunnat göra det. Det skapar ett helt nytt forskningsfält för topologiska magneter."

Studien, "Upptäckt av topologiska Weyl-fermionlinjer och trumskinnets yttillstånd i en rumstemperaturmagnet, " av Ilya Belopolski, Kaustuv Manna, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, Benedikt Ernst, Jiaxin Yin, Songtian S. Zhang, Tyler Cochran, Nana Shumiya, Hao Zheng, Bahadur Singh, Guang Bian, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Xiaoting Zhou, Shin-Ming Huang, Baokai Wang, Tay-Rong Chang, Su-Yang Xu, Arun Bansil, Claudia Felser, Hsin Lin och Zahid Hasan visas i numret av 19 september Vetenskap .