Sökandet pågår för att upptäcka nya materiatillstånd, och möjligen nya sätt att koda, manipulera, och transport av information. Ett mål är att utnyttja materialens kvantegenskaper för kommunikation som går utöver vad som är möjligt med konventionell elektronik. Topologiska isolatorer - material som fungerar mest som isolatorer men bär elektrisk ström över sin yta - ger några lockande möjligheter.

"Att utforska komplexiteten hos topologiska material – tillsammans med andra spännande framväxande fenomen som magnetism och supraledning – är ett av de mest spännande och utmanande fokusområdena för materialvetenskapsgemenskapen vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory, sa Peter Johnson, en senior fysiker vid Condensed Matter Physics &Materials Science Division i Brookhaven. "Vi försöker förstå dessa topologiska isolatorer eftersom de har många potentiella tillämpningar, särskilt inom kvantinformationsvetenskap, ett viktigt nytt område för divisionen."

Till exempel, material med denna delade isolator/ledarpersonlighet uppvisar en separation i energisignaturerna för sina ytelektroner med motsatt "spin". Denna kvantegenskap skulle potentiellt kunna utnyttjas i "spintroniska" enheter för kodning och transport av information. Går man ett steg längre, Att koppla dessa elektroner med magnetism kan leda till nya och spännande fenomen.

"När du har magnetism nära ytan kan du ha dessa andra exotiska tillstånd av materia som uppstår från kopplingen av den topologiska isolatorn med magnetismen, sa Dan Nevola, en postdoktor som arbetar med Johnson. "Om vi ​​kan hitta topologiska isolatorer med sin egen inneboende magnetism, vi borde effektivt kunna transportera elektroner från ett visst spinn i en viss riktning."

I en ny studie som just publicerats och lyfts fram som ett redaktörsförslag i Fysiska granskningsbrev , Nevola, Johnson, och deras medförfattare beskriver det udda beteendet hos en sådan magnetisk topologisk isolator. Uppsatsen innehåller experimentella bevis för att inneboende magnetism i huvuddelen av manganvismuttellurid (MnBi2Te4) även sträcker sig till elektronerna på dess elektriskt ledande yta. Tidigare studier hade varit osäkra om huruvida ytmagnetismen existerade eller inte.

Men när fysikerna mätte ytelektronernas känslighet för magnetism, endast ett av två observerade elektroniska tillstånd uppförde sig som förväntat. Ett annat yttillstånd, som förväntades ha en större respons, agerade som om magnetismen inte fanns där.

"Är magnetismen annorlunda vid ytan? Eller finns det något exotiskt som vi bara inte förstår?" sa Nevola.

Johnson lutar sig mot den exotiska fysikens förklaring:"Dan gjorde detta mycket noggranna experiment, vilket gjorde det möjligt för honom att titta på aktiviteten i ytregionen och identifiera två olika elektroniska tillstånd på den ytan, en som kan finnas på vilken metallyta som helst och en som återspeglar materialets topologiska egenskaper, " sa han. "Den förra var känslig för magnetismen, vilket bevisar att magnetismen verkligen finns i ytan. Dock, den andra som vi förväntade oss vara mer känslig hade ingen känslighet alls. Så, det måste vara någon exotisk fysik på gång!"

Måtten

Forskarna studerade materialet med hjälp av olika typer av fotoemissionsspektroskopi, där ljus från en ultraviolett laserpuls slår loss elektroner från materialets yta och in i en detektor för mätning.

"För ett av våra experiment, vi använder en extra infraröd laserpuls för att ge provet en liten kick för att flytta runt några av elektronerna innan vi gör mätningen, " Nevola förklarade. "Det tar några av elektronerna och sparkar dem [upp i energi] för att bli ledande elektroner. Sedan, i mycket, mycket korta tidsskalor - pikosekunder - du gör mätningen för att titta på hur de elektroniska tillstånden har förändrats som svar."

Kartan över energinivåerna för de exciterade elektronerna visar två distinkta ytband som var och en visar separata grenar, elektroner i varje gren som har motsatt spin. Båda banden, var och en representerar ett av de två elektroniska tillstånden, förväntades svara på närvaron av magnetism.

För att testa om dessa ytelektroner verkligen var känsliga för magnetism, forskarna kylde provet till 25 Kelvin, låter dess inneboende magnetism komma fram. Men endast i det icke-topologiska elektroniska tillståndet observerade de en "lucka" som öppnades i den förväntade delen av spektrumet.

"Inom sådana luckor, elektroner är förbjudna att existera, och därmed representerar deras försvinnande från den delen av spektrumet signaturen för gapet, sa Nevola.

Observationen av ett gap som uppträdde i det vanliga yttillståndet var definitivt bevis på magnetisk känslighet - och bevis på att magnetismen som är inneboende i huvuddelen av detta speciella material sträcker sig till dess ytelektroner.

Dock, det "topologiska" elektroniska tillståndet som forskarna studerade visade ingen sådan känslighet för magnetism – inget gap.

"Det ger lite frågetecken, " sa Johnson.

"Det här är egenskaper vi skulle vilja kunna förstå och konstruera, ungefär som vi konstruerar egenskaperna hos halvledare för en mängd olika teknologier, " fortsatte Johnson.

Inom spintronik, till exempel, Tanken är att använda olika spin-tillstånd för att koda information på det sätt som positiva och negativa elektriska laddningar för närvarande används i halvledarenheter för att koda "bitarna" – 1:or och 0:or – av datorkod. Men spin-kodade kvantbitar, eller qubits, har många fler möjliga tillstånd – inte bara två. Detta kommer att avsevärt utöka potentialen att koda information på nya och kraftfulla sätt.

"Allt med magnetiska topologiska isolatorer ser ut som att de är rätt för den här typen av tekniska tillämpningar, men det här materialet följer inte riktigt reglerna, " sa Johnson.

Så nu, medan teamet fortsätter sitt sökande efter nya materiatillstånd och ytterligare insikter i kvantvärlden, det finns en ny brådska att förklara det här speciella materialets udda kvantbeteende.