Områdena för kondenserad materiens fysik och materialvetenskap är intimt sammanlänkade eftersom ny fysik ofta upptäcks i material med speciella arrangemang av atomer. Kristaller, som har upprepade enheter av atomer i rymden, kan ha speciella mönster som resulterar i exotiska fysiska egenskaper. Särskilt spännande är material som är värd för flera typer av exotiska egenskaper eftersom de ger forskare möjlighet att studera hur dessa egenskaper interagerar med och påverkar varandra. Kombinationerna kan ge upphov till oväntade fenomen och underblåsa år av grundläggande och teknisk forskning.

I en ny studie publicerad i Vetenskapens framsteg Denna vecka, ett internationellt team av forskare från USA, Columbia, Tjeckien, England, och leds av Dr. Mazhar N. Ali vid Max Planck Institute of Microstructure Physics i Tyskland, har visat att ett nytt material, KV ₃ Sb ₅ , har en aldrig skådad kombination av egenskaper som resulterar i en av de största anomala Hall-effekterna (AHE) som någonsin observerats; 15, 500 siemens per centimeter vid 2 Kelvin.

Upptäcktes i labbet av medförfattaren Prof. Tyrel McQueen vid Johns Hopkins University, KV ₃ Sb ₅ kombinerar fyra egenskaper till ett material:Dirac-fysik, metallisk frustrerad magnetism, 2-D exfoliability (som grafen), och kemisk stabilitet.

Dirac fysik, i detta sammanhang, relaterar till det faktum att elektronerna i KV ₃ Sb ₅ är inte bara dina vanliga vanliga elektroner; de rör sig extremt snabbt med mycket låg effektiv massa. Det betyder att de beter sig "ljuslikt"; deras hastigheter blir jämförbara med ljusets hastighet och de beter sig som om de bara hade en liten del av den massa de borde ha. Detta resulterar i att materialet är mycket metalliskt och visades först i grafen för cirka 15 år sedan.

Den "frustrerade magnetismen" uppstår när de magnetiska momenten i ett material (föreställ dig små stångmagneter som försöker vända varandra och rada upp norr till söder när du för dem samman) är ordnade i speciella geometrier, som triangulära nät. Det här scenariot kan göra det svårt för stångmagneterna att rada upp sig så att de alla tar bort varandra och är stabila. Material som uppvisar denna egenskap är sällsynta, speciellt metalliska. De flesta frustrerade magnetmaterial är elektriska isolatorer, vilket betyder att deras elektroner är orörliga. "Frustrerade metallmagneter har varit mycket eftertraktade i flera decennier. De har förutspåtts rymma okonventionell supraledning, Majorana fermioner, vara användbar för kvantberäkning, och mer, " kommenterade Dr. Ali.

Strukturellt sett KV ₃ Sb ₅ har en 2-D, skiktad struktur där triangulära vanadin- och antimonskikt staplas löst ovanpå kaliumskikten. Detta gjorde det möjligt för författarna att helt enkelt använda tejp för att dra av några lager (a.k.a. flingor) åt gången. "Detta var väldigt viktigt eftersom det gjorde det möjligt för oss att använda elektronstrålelitografi (som fotolitografi som används för att göra datorchips, men genom att använda elektroner snarare än fotoner) för att göra små enheter av flingorna och mäta egenskaper som människor inte lätt kan mäta i bulk." påpekade huvudförfattaren Shuo-Ying Yang, från Max Planck Institute of Microstructure Physics. "Vi var glada över att finna att flingorna var ganska stabila för tillverkningsprocessen, vilket gör det relativt enkelt att arbeta med och utforska massor av fastigheter”.

Beväpnad med denna kombination av egenskaper, teamet valde först att leta efter en anomal Hall-effekt (AHE) i materialet. Detta fenomen är där elektroner i ett material med ett pålagt elektriskt fält (men inget magnetfält) kan avböjas 90 grader av olika mekanismer. "Det hade teoretiserats att metaller med triangulära spinarrangemang kunde ha en betydande yttre effekt, så det var ett bra ställe att börja, " noterade Yang. Med hjälp av vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi, tillverkning av mikroenheter, och ett elektroniskt mätsystem för lågtemperaturegenskaper, Shuo-Ying och co-lead författaren Yaojia Wang (Max Planck Institute of Microstructure Physics) kunde observera en av de största AHE som någonsin sett.

AHE kan delas in i två allmänna kategorier:inneboende och yttre. "Den inneboende mekanismen är som om en fotbollsspelare gjorde en passning till sin lagkamrat genom att böja bollen, eller elektron, runt några försvarare (utan att det kolliderar med dem), " förklarade Ali. "Extrinsic är som att bollen studsar från en försvarare, eller magnetiskt spridningscentrum, och går åt sidan efter kollisionen. Många extrinsiskt dominerade material har ett slumpmässigt arrangemang av försvarare på planen, eller magnetiska spridningscentra slumpmässigt utspädda genom hela kristallen. KV ₃ Sb ₅ är speciell genom att den har grupper om 3 magnetiska spridningscentra arrangerade i ett triangulärt nät. I detta scenario, bollen sprids från gruppen av försvarare, snarare än en enda, och är mer benägna att gå åt sidan än om bara en var i vägen."

Detta är i huvudsak den teoretiserade spin-kluster skew spridning AHE mekanism som demonstrerades av författarna i detta material. "Men tillståndet med vilket den inkommande bollen träffar klungan verkar ha betydelse; du eller jag som sparkar bollen är inte detsamma som om, säga, Christiano Ronaldo sparkade bollen, " tillade Ali. "När Ronaldo sparkar den, den rör sig mycket snabbare och studsar av från klustret med mycket högre hastighet, flytta åt sidan snabbare än om bara någon genomsnittlig person hade sparkat den. Detta är, löst sagt, skillnaden mellan Dirac-kvasipartiklarna (Ronaldo) i detta material kontra normala elektroner (genomsnittlig person) och är relaterad till varför vi ser en så stor AHE, ", förklarade Ali skrattande.

Dessa resultat kan också hjälpa forskare att identifiera andra material med denna kombination av ingredienser. "Viktigt, samma fysik som styr denna AHE kan också driva en mycket stor spin Hall-effekt (SHE) - där istället för att generera en ortogonal laddningsström, en ortogonal spinnström genereras, ", anmärkte Wang. "Detta är viktigt för nästa generations datorteknik baserad på en elektrons spin snarare än dess laddning".

"Det här är ett nytt lekplatsmaterial för oss:metallisk Dirac-fysik, frustrerad magnetism, exfolierbar, och kemiskt stabil allt i ett. Det finns många möjligheter att utforska kul, konstiga fenomen, som okonventionell supraledning och mer, sa Ali, upprymd.