Kredit:FLEET
Ett samarbete mellan tre FLEET-noder har granskat de grundläggande teorierna som ligger till grund för den kvantanomala Hall-effekten (QAHE).
QAHE är en av de mest fascinerande och viktiga upptäckterna inom den kondenserade materiens fysik.
Det är nyckeln till funktionen hos framväxande kvantmaterial, som erbjuder potential för ultralågenergielektronik.
QAHE orsakar flödet av noll-resistans elektrisk ström längs kanterna på ett material.
QAHE i topologiska material:nyckeln till lågenergielektronik
Topologiska isolatorer, erkänd av Nobelpriset i fysik 2016, baseras på en kvanteffekt känd som den kvantanomala Hall-effekten (QAHE).
"Topologiska isolatorer leder elektricitet endast längs sina kanter, där enkelriktade kantbanor leder elektroner utan spridning som orsakar avledning och värme i konventionella material, " förklarar huvudförfattaren Muhammad Nadeem.
QAHE föreslogs först av 2016 års Nobelmottagare Prof Duncan Haldane (Manchester) på 1980-talet, men det visade sig senare utmanande att realisera QAHE i riktiga material. Magnetdopade topologiska isolatorer och spinn-gapless halvledare är de två bästa kandidaterna för QAHE.
Kvant-Hall-effekten (QHE) är en kvantmekanisk version av Hall-effekten, där en liten spänningsskillnad skapas vinkelrätt mot ett strömflöde av ett pålagt magnetfält.
Kvant-Hall-effekten observeras i 2-D-system vid låga temperaturer inom mycket starka magnetfält, där Hall-motståndet genomgår kvantövergångar – dvs. det varierar i diskreta steg snarare än smidigt.
QAHE beskriver en oväntad kvantisering av det tvärgående Hall-motståndet, åtföljd av en avsevärd nedgång i longitudinell motstånd.
QAHE kallas avvikande eftersom det inträffar i frånvaro av något applicerat magnetfält, med den drivande kraften istället tillhandahållen av antingen en spin-omloppskoppling eller inre magnetisering.
Forskare försöker förbättra dessa två drivande faktorer för att stärka QAHE, möjliggör topologisk elektronik som skulle vara genomförbar för rumstemperaturdrift.
Det är ett område av stort intresse för teknologer, " förklarar Xiaolin Wang. "De är intresserade av att använda denna betydande minskning av motståndet för att avsevärt minska strömförbrukningen i elektroniska enheter."
"Vi hoppas att denna studie kommer att belysa de grundläggande teoretiska perspektiven av kvantanomala Hall-material, " säger medförfattaren Prof Michael Fuhrer (Monash University), som är direktör för FLEET.
Studien
Samarbetet, teoretisk studie koncentrerar sig på dessa två mekanismer:
Fyra modeller granskades som kunde förstärka dessa två effekter, och därmed förbättra QAHE, tillåter topologiska isolatorer och spinn helt polariserade nollgapmaterial (spin gapless halvledare) att fungera vid högre temperaturer.
"Bland de olika kandidatmaterialen för QAHE, spin-gapless halvledare kan vara av potentiellt intresse för framtida topologiska elektronik-/spintroniktillämpningar, " förklarar Muhammad Nadeem.
Quantum Anomalous Hall Effect in Magnetic Doped Topological Insulators and Ferromagnetic Spin-Gapless Semiconductors — A Perspective Review publicerades i tidskriften Små i september 2020.
