Topologiska material har blivit ett hett ämne inom kvantmaterialforskning, eftersom de har potentiella tillämpningar för kvantinformation och spintronik. Detta beror på att topologiska material har konstiga elektroniska tillstånd där en elektrons rörelsemängd är kopplad till dess spinnorientering, något som kan utnyttjas på nya sätt för att koda och överföra information. En typ av topologiskt material, kallas en magnetisk Weyl-halvmetall, lockar intresse på grund av dess potentiella förmåga att manipuleras med magnetfält.

Eftersom dessa material är så nya, dock, det har varit svårt för forskare att identifiera och karakterisera Weyl-halvmetaller. En nyligen genomförd teori- och modelleringsstudie från forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory kan inte bara ge forskare ett enklare sätt att hitta Weyl-halvmetaller, men också ett sätt att lättare manipulera dem för potentiella spintroniska enheter.

Tidigare försök att undersöka Weyl-halvmetaller förlitade sig på en komplicerad teknik som kräver en röntgen- eller laserkälla och noggrant förberedda prover. För att förenkla observationen av halvmetaller, Argonne-forskare föreslog istället att använda förhållandet mellan två väsentliga egenskaper – elektronisk spinn och laddning – för att avslöja de topologiska materialens natur och ge forskare nya sätt att använda dem.

"Vi vill veta om det finns någon signatur i semimetalen som vi kan se om vi försöker köra en ström genom den, något som är kännetecknande för att det är en Weyl -halvmetall, " sa Argonne materialforskare Olle Heinonen.

För att generera en laddström i Weyl semimetal, Heinonen föreslog först att injicera en spinnström vid gränssnittet mellan en normal metall och Weyl-halvmetallen. Medan spinnströmmen involverade ett inflöde av elektroner med spinn pekade i en viss riktning, inga nettoladdningar injicerades eftersom elektroner med motsatt spin drogs åt andra hållet.

"Du kan tänka på det som att ha två simmare som går åt motsatt håll i en pool, en som gör fristil och en som gör ryggsim, "sa han." Det finns ingen nettosimning, men det finns en nettomängd freestyle."

Genom att flytta spins företrädesvis från den normala metallen till Weyl-halvmetallen, forskarna fann att halvmetallen behövde hitta sätt att rymma elektroner med speciella snurr i sin elektroniska struktur. "Du kan inte bara sticka vilken elektron som helst var du vill, "Sa Heinonen.

Istället, forskarna fann att elektronerna tenderar att omfördela sina snurr till de platser som är tillgängliga och energiskt gynnsamma. "Du kanske inte kan få in alla dina snurr i ett specifikt elektroniskt tillstånd, men du kan passa bråkdelar av spinn i olika tillstånd som summerar till samma mängd, " sa Heinonen. "Tänk om du har en våg som träffar en sten; du har fortfarande samma mängd vatten i rörelse, bara åt olika håll."

När elektronen "går sönder" på detta sätt när den möter Weyl -halvmetallen, de olika resulterande elektroniska tillstånden färdas med olika hastigheter, genererar en laddningsström. Beroende på i vilken riktning denna ström mäts – säg, uppifrån och ner eller från vänster till höger - forskare såg olika resultat.

"Hur elektronen går sönder är relaterat på ett mycket känsligt sätt till förhållandet mellan energi, fart och snurr i det magnetiska Weyl -halvmetallet, "Sa Heinonen." Som ett resultat, hur riktningen för laddningsströmmen ändras är direkt relaterad till egenskaperna hos Weyl-halvmetallen, så att du kan bestämma dess topologiska egenskaper. "

Att se anisotropin, eller skillnaden i laddningsström när den mäts i olika riktningar i Weyl-halvmetallen, ger forskarna två uppgifter. Först, det avslöjar materialets Weyl -natur, men kanske ännu viktigare gör det att forskare kan justera materialets egenskaper. "Reaktionen vi ser är unikt intressant eftersom det är en Wey l-semimetall, och eftersom det har detta intressanta anisotropa svar, vi kan förmodligen utnyttja det i vissa enheter, ", sa Heinonen. "Vi ligger lite före kurvan när det gäller människor som faktiskt tillverkar många Weyl-halvmetaller, men detta ger oss ett billigt sätt att testa och experimentera med en typ av material som sannolikt kommer att bli mer populärt."

Ett papper baserat på studien, "Spin-till-laddning-omvandling i magnetiska Weyl-halvmetaller, " dök upp i numret 1 november av Fysiska granskningsbrev . Argonnes Ivar Martin, Shulei Zhang, nu biträdande professor i fysik vid Case Western Reserve University, och Anton Burkov från University of Waterloo, samarbetade också i studien.