Att leda ett samarbete mellan institutioner i USA och utomlands, Princeton University Department of Chemistry rapporterar nya topologiska egenskaper hos den magnetiska pyriten koboltdisulfid (CoS ₂ ) som utökar vår förståelse av elektriska kanaler i detta länge undersökta material.

Med hjälp av vinkelupplöst fotoelektronspektroskopi och ab-initio beräkningar, forskare som arbetar med Schoop Lab upptäckte närvaron av Weyl -noder i bulk CoS2 som gör att de kan göra förutsägelser om dess ytegenskaper. Materialet är värd för Weyl-fermioner och Fermi-båge yttillstånd inom sin bandstruktur, vilket kan göra det möjligt för den att fungera som en plattform för exotiska fenomen och placerar den bland materialkandidater för användning i spintroniska enheter.

Forskningen avgör också en långvarig debatt, bevisar att CoS ₂ är inte en riktig halvmetall. En halvmetall är vilken substans som helst som fungerar som ledare för elektroner med en rotationsorientering men som en isolator eller halvledare till dem med motsatt orientering. Även om alla halvmetaller är ferromagnetiska, de flesta ferromagneter är inte halvmetaller. Detta konstaterande att CoS ₂ är inte en halvmetall har viktiga konsekvenser för material- och enhetsteknik.

Leslie Schoop, biträdande professor i kemi vid Princeton Chemistry, kallade verket "en återupptäckt av ny fysik i ett gammalt material". Forskningen publicerades i veckan i Vetenskapliga framsteg .

CoS ₂ har varit föremål för studier i många decennier på grund av sin kringgående magnetism, och sedan början av 2000-talet-innan topologiska isolatorer förutspåddes och upptäcktes-på grund av dess potential att vara en halvmetall. Forskare var "glada" över att få den senare diskussionen att vila.

Genom Schoop-forskningen, materialet upptäcktes vara ett sällsynt exempel på den grupp av magnetiska topologiska metaller som föreslagits som medel för laddning-till-spin-omvandling. Genom att lösa upp bulk- och ytelektronikstrukturen hos CoS ₂ , Forskare har visat att det finns ett samband mellan elektroniska kanaler i det inre materialet som kan förutsäga andra tillstånd på dess yta. I ett material, en elektrisk ström kan gå genom bulken eller flyta längs ytan. Forskare fann att bulk CoS ₂ innehåller objekt som kallas Weyl-noder inom sin struktur som fungerar som elektroniska kanaler som kan förutsäga andra tillstånd på ytan.

"Den vackra fysiken här är att du har dessa Weyl-noder som kräver spinnpolariserade yttillstånd. Dessa kan skördas för spintroniska tillämpningar, sa Schoop.

"Dessa elektroniska tillstånd som bara existerar på ytan har kiralitet associerat med dem, och på grund av den kiraliteten kan elektronerna också bara röra sig i vissa riktningar, ", tillade hon. "Vissa människor funderar på att använda dessa kirala tillstånd i andra applikationer. Det finns inte många magnetiska material där dessa har hittats tidigare."

Kiralitet avser den egenskap som gör ett objekt eller system omöjligt att skilja från sin spegelbild – dvs. kan inte läggas över — och är en viktig egenskap inom många vetenskapsgrenar.

Schoop tillade att de elektroniska kanalerna är polariserade. Denna magnetism skulle potentiellt kunna användas för att manipulera materialet:forskare kan byta magnetiseringsriktning och yttillstånd kan sedan omkonfigureras som ett svar på detta applicerade magnetfält.

Paper medförfattare Maia Vergniory, vid Donostia International Physics Center i Spanien, Lagt till, "Det finns bara ett fåtal magnetiska material som har uppmätts ha sådana yttillstånd, eller Fermi-bågar, och det här är som den fjärde, höger? Så, det är verkligen fantastiskt att vi faktiskt kunde mäta och förstå spinnkanalerna i ett material som varit känt så länge."

Som kollegor under 2016, Schoop och Vergniory diskuterade att undersöka materialegenskaperna hos CoS ₂ , särskilt om det skulle kunna klassificeras som en äkta halvmetall. Utredningen gick igenom flera iterationer efter att Schoop anlände till Princeton 2017, och bearbetades av doktorander under Schoop och under Vergniory vid Donostia.

Niels Schröter, en kollega vid Paul Scherrer Institute i Schweiz och huvudförfattare på tidningen, övervakade teamet vid den schweiziska ljuskällan som kartlade de materiella Weyl-noderna.

"Det vi ville mäta var inte bara den elektroniska ytstrukturen, ", sa Schröter. "Vi ville också lära oss något om bulkelektronikens egenskaper, och för att få båda dessa kompletterande uppgifter, vi var tvungna att använda den specialiserade ADRESS-strållinjen vid den schweiziska ljuskällan för att undersöka elektroner djupt i materialets massa."

Schröter förklarade hur ingenjörer kunde bygga en enhet på vägen med detta material.

"Du skulle sätta detta material i kontakt med ett annat material, till exempel med en magnetisk isolator eller något liknande där du sedan vill skapa magnetiska vågor genom att köra en elektrisk ström genom den.

"Det fina med dessa topologiska material är att dessa gränsytelektroner som kan användas för spinninjektion, de är mycket robusta. Du kan inte lätt bli av med dem. Det är här dessa områden av topologi och spintronik kan mötas, eftersom topologi kanske är ett sätt att säkerställa att du har dessa spinnpolariserade gränssnittstillstånd i kontakt med andra magnetiska material som du skulle vilja kontrollera med strömmar eller fält."

Schoop lade till, "Jag tycker att den här typen av återupptäckt i detta mycket gamla och välstuderade material är väldigt spännande, och jag är glad att jag har dessa två fantastiska samarbetspartners som hjälpte till att spika det."