Ett internationellt team ledd av forskare vid Princeton University har upptäckt en ny klass av magneter som uppvisar nya kvanteffekter som sträcker sig till rumstemperatur.

Forskarna upptäckte en kvantiserad topologisk fas i en orörd magnet. Deras resultat ger insikter i en 30 år gammal teori om hur elektroner spontant kvantifierar och demonstrerar en proof-of-principe-metod för att upptäcka nya topologiska magneter. Kvantmagneter är lovande plattformar för avledningsfri ström, hög lagringskapacitet och framtida grön teknik. Studien publicerades i tidskriften Natur Denna vecka.

Upptäcktens rötter ligger i quantum Hall-effekten - en form av topologisk effekt som var föremål för Nobelpriset i fysik 1985. Detta var första gången som en gren av teoretisk matematik, kallas topologi, skulle börja förändra i grunden hur vi beskriver och klassificerar materia som utgör världen runt oss. Alltsedan, topologiska faser har intensivt studerats inom vetenskap och teknik. Många nya klasser av kvantmaterial med topologiska elektroniska strukturer har hittats, inklusive topologiska isolatorer och Weyl-halvmetaller. Dock, medan några av de mest spännande teoretiska idéerna kräver magnetism, de flesta material som utforskats har varit omagnetiska och visar ingen kvantisering, lämnar många lockande möjligheter ouppfyllda.

"Upptäckten av ett magnetiskt topologiskt material med kvantiserat beteende är ett stort steg framåt som kan låsa upp nya horisonter när det gäller att utnyttja kvanttopologin för framtida fundamental fysik och nästa generations enhetsforskning", säger M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskargruppen.

Medan experimentella upptäckter gjordes snabbt, teoretisk fysik utmärkte sig i att utveckla idéer som ledde till nya mätningar. Viktiga teoretiska koncept om 2-D topologiska isolatorer lades fram 1988 av F. Duncan Haldane, Thomas D. Jones professor i matematisk fysik och professor i fysik vid Sherman Fairchild University i Princeton, som 2016 fick Nobelpriset i fysik för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia. Efterföljande teoretiska utvecklingar visade att topologisk isolator-värd magnetism i ett speciellt atomarrangemang känt som ett kagomegitter kan vara värd för några av de mest bisarra kvanteffekterna.

Hasan och hans team har varit på ett decenniumlångt sökande efter ett topologiskt magnetiskt kvanttillstånd som också kan fungera vid rumstemperatur sedan de upptäckte de första exemplen på tredimensionella topologiska isolatorer. Nyligen, de hittade en materiallösning för Haldanes gissningar i en kagomegittermagnet som kan fungera vid rumstemperatur, som också uppvisar den mycket önskade kvantiseringen. "Kagomegittret kan utformas för att ha relativistiska bandkorsningar och starka elektron-elektroninteraktioner. Båda är väsentliga för ny magnetism. Därför, vi insåg att kagomemagneter är ett lovande system för att söka efter topologiska magnetfaser eftersom de är som de topologiska isolatorer som vi studerat tidigare, sa Hasan.

Så länge, direkt material och experimentell visualisering av detta fenomen har förblivit svårfångade. Teamet fann att de flesta kagomemagneterna var för svåra att syntetisera, magnetismen var inte tillräckligt väl förstått, inga avgörande experimentella signaturer av topologin eller kvantisering kunde observeras, eller så fungerar de bara vid mycket låga temperaturer.

"En lämplig design för atomkemi och magnetisk struktur kopplad till teorin om de första principerna är det avgörande steget för att göra Duncan Haldanes spekulativa förutsägelse realistisk i en miljö med hög temperatur, " sa Hasan. "Det finns hundratals kagomemagneter, och vi behöver både intuition, erfarenhet, materialspecifika beräkningar, och intensiva experimentella ansträngningar för att så småningom hitta rätt material för djupgående utforskning. Och det tog oss på en decennielång resa."

Genom flera år av intensiv forskning om flera familjer av topologiska magneter (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 (2020), Phys. Rev Lett. 125, 046401 (2020)), teamet insåg gradvis att ett material tillverkat av elementen terbium, mangan och tenn (TbMn6Sn6) har den idealiska kristallstrukturen med kemiskt orörda, kvantmekaniska egenskaper och rumsligt segregerade kagomegitterskikt. Dessutom, den har unikt en stark magnetisering utanför planet. Med denna idealiska kagomemagnet som framgångsrikt syntetiserats på den stora enkristallnivån av medarbetare från Shuang Jias grupp vid Peking University, Hasans grupp började systematiska toppmoderna mätningar för att kontrollera om kristallerna är topologiska och, viktigare, har det önskade exotiska kvantmagnetiska tillståndet.

Princeton-teamet av forskare använde en avancerad teknik som kallas scanning tunneling microscopy, som är kapabel att sondera de elektroniska vågfunktionerna och spinnvågsfunktionerna hos ett material på subatomär skala med sub-millivolt energiupplösning. Under dessa finjusterade förhållanden, forskarna identifierade de magnetiska kagomegitteratomerna i kristallen, fynd som ytterligare bekräftades av toppmodern vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi med momentumupplösning.

"Den första överraskningen var att det magnetiska kagomegittret i detta material är superrent i vår skanningstunnelmikroskopi, " sa Songtian Sonia Zhang, en medförfattare till studien som fick sin doktorsexamen. på Princeton tidigare i år. "Den experimentella visualiseringen av ett sådant defektfritt magnetiskt kagomegitter erbjuder en aldrig tidigare skådad möjlighet att utforska dess inneboende topologiska kvantegenskaper."

Det verkliga magiska ögonblicket var när forskarna slog på ett magnetfält. De fann att de elektroniska tillstånden i kagomegittret modulerar dramatiskt, bilda kvantiserade energinivåer på ett sätt som överensstämmer med Dirac -topologi. Genom att gradvis höja magnetfältet till 9 Tesla, som är hundratusentals gånger högre än jordens magnetfält, de kartlade systematiskt den fullständiga kvantiseringen av denna magnet. "Det är extremt sällsynt - det har inte hittats ett ännu - att hitta ett topologiskt magnetiskt system med det kvantiserade diagrammet. Det kräver en nästan defektfri magnetisk materialdesign, finjusterad teori och banbrytande spektroskopiska mätningar", sa Nana Shumiya, en doktorand och medförfattare till studien.

Det kvantiserade diagrammet som teamet mätte ger exakt information som avslöjar att den elektroniska fasen matchar en variant av Haldane-modellen. Det bekräftar att kristallen har en spin-polariserad Dirac-dispersion med ett stort Chern-gap, som förväntat av teorin för topologiska magneter. Dock, en pusselbit saknades fortfarande. "Om detta verkligen är ett Chern-gap, sedan baserat på den grundläggande topologiska bulkgränsprincipen, vi bör observera kirala (envägstrafik) tillstånd vid kanten av kristallen, Sa Hasan.

Den sista biten föll på plats när forskarna skannade gränsen eller kanten på magneten. De hittade en tydlig signatur på ett kanttillstånd endast inom Chern -energigapet. Förökar sig längs kristallens sida utan skenbar spridning (vilket avslöjar dess spridningslösa karaktär), tillståndet bekräftades vara det kirala topologiska kanttillståndet. Avbildning av detta tillstånd var utan motstycke i någon tidigare studie av topologiska magneter.

Forskarna använde vidare andra verktyg för att kontrollera och bekräfta sina fynd av Chern gapped Dirac fermions, inklusive elektriska transportmätningar av onormal Hall-skalning, vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi av Dirac-dispersionen i momentumrymden, och första principberäkningar av den topologiska ordningen i materialfamiljen. Data gav ett komplett spektrum av sammanlänkade bevis som alla pekade på förverkligandet av en kvantgräns Chern-fas i denna kagomagnet. "Alla bitarna passar ihop i en läroboksdemonstration av fysiken hos magnetiska Dirac-fermioner med Chern-gap, " sa Tyler A. Cochran, en doktorand och medförfattare till studien.

Nu skiftar gruppens teoretiska och experimentella fokus till de dussintals föreningar med liknande strukturer som TbMn6Sn6 som är värd för kagomgaller med en mängd olika magnetiska strukturer, var och en med sin individuella kvanttopologi. "Vår experimentella visualisering av kvantgränsen Chern-fasen visar en principiell metod för att upptäcka nya topologiska magneter, " sa Jia-Xin Yin, en senior postdoktor och en annan medförstaförfattare till studien.

"Det här är som att upptäcka vatten i en exoplanet - det öppnar en ny gräns för topologisk kvantmateriaforskning som vårt laboratorium i Princeton har optimerats för, Sa Hasan.