Kombinationen av magnetism och topologi leder till nya vetenskaper och tillämpningar inom termoelektrisk, spintronic, solceller, kvantberäkning, och annan kvantteknik Kredit:MPI CPfS
Föreställ dig en värld där elektricitet kunde strömma genom nätet utan förluster eller där all data i världen kunde lagras i molnet utan behov av kraftverk. Detta verkar ofattbart men en väg mot en sådan dröm har öppnats med upptäckten av en ny familj av material med magiska egenskaper.
Dessa material-magnetiska Weyl-halvmetaller-är medföljande kvantitet men överbryggar de två världarna av topologi och spintronik. Topologiska material uppvisar konstiga egenskaper, inklusive supersnabba elektroner som färdas utan energiförlust. Å andra sidan är magnetiska material avgörande för vår vardag, från magneter för elbilar till spintronic -enheter i varje hårddisk i datorer och i molnet. Konceptet med en magnetisk Weyl-halvmetall (WSM) låg i luften men ett verkligt material har först nu förverkligats av Claudia Felser-teamet, Direktör på MPI CPfS, Dresden, i två mycket olika föreningar — Co 2 MnGa och Co. 3 Sn 2 S 2 .
För att hitta dessa extraordinära material, Felers team skannade materialdatabasen och kom med en lista med lovande kandidater. Beviset för att dessa material är magnetiska WSM erhölls via elektroniska strukturundersökningar av Co 2 MnGa och Co. 3 Sn 2 S 2 . Forskare från Claudia Felers grupp vid MPI CPfS och Stuart Parkins team vid MPI of Microstructure Physics, Halle, i samarbete med M. Zahid Hasans team från Princeton, Yulin Chens team från Oxford University, och Haim Beidenkopfs team från Weizmann Institute of Science, har experimentellt bekräftat förekomsten av magnetiska Weyl -fermioner i dessa två material i studier som publicerades i tre artiklar i Vetenskap i dag.
För första gången, med hjälp av vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) och skanningstunnelmikroskop (STM) experiment, tidsomvändningssymmetri brutna WSM-tillstånd observerades, möjliggjord av de enkla kristallerna av hög kvalitet som odlas vid MPI CPfS. "Upptäckten av magnetiska WSM är ett stort steg mot förverkligandet av högtemperaturkvante- och spintroniska effekter. Dessa två material, som är medlemmar i de mycket avstämbara Heusler- och Shandite -familjerna, respektive, är idealiska plattformar för olika framtida applikationer inom spintronic och magneto-optisk teknik för datalagring, och informationsbehandling samt applikationer i energiomvandlingssystem, "säger Stuart Parkin, VD för Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle.
De magnetiska topologiska tillstånden i Co 2 MnGa och Co. 3 Sn 2 S 2 spela en avgörande roll för ursprunget till de observerade avvikande kvanttransporteffekterna, på grund av den starka bärkrökningen i samband med deras topologiska tillstånd. Med Weyl nodal line och nodal point band strukturer, Co 2 MnGa och Co. 3 Sn 2 S 2 är de enda två för närvarande kända exemplen på material som är värd för både stor avvikande Hall -konduktivitet och avvikande Hall -vinkel. "Våra material har de naturliga fördelarna med hög ordningstemperatur, tydlig topologisk bandstruktur, låg laddningsbärartäthet, och stark elektromagnetisk respons. Utformningen av ett material som uppvisar en högtemperaturkvantanomalisk Hall -effekt (QAHE) via kvantbegränsning av ett magnetiskt WSM, och dess integration i kvantanordningar är vårt nästa steg, säger Claudia Felser.
Upptäckten av magnetiska WSM är ett stort steg mot förverkligandet av en rumstemperatur QAHE och är grunden för nya energiomvandlingskoncept "En Quantum Anomalous Hall-effekt möjliggör dissipationsfri transport via kirala kanttillstånd som är medfödda spin-polariserade." insåg Yan Sun direkt. Förverkligandet av QAHE vid rumstemperatur skulle vara revolutionerande genom att övervinna begränsningar för många av dagens databaserade tekniker, som påverkas av stor elektronspridningsinducerad effektförlust. Detta skulle bana väg för en ny generation av energikrävande kvantelektroniska och spintroniska enheter.
