Figur 1. Komplex spiralformad magnetisk ordning i EuIn2As2 (höger) stödjer ett axionsisolatortillstånd med gaplösa Dirac-koner (vänster) som förekommer på ytor som penetreras av och vinkelrätt mot den magnetiska strukturens blå pilar. Dessa ytor stödjer motståndslös kiral ledning. Andra ytor är gapade och uppvisar halvheltals kvantanomal ledning av Hall-typ på provets kanter. Kredit:Ames Laboratory
Forskare vid det amerikanska energidepartementets Ames Laboratory har observerat ny spiralformad magnetisk ordning i den topologiska föreningen EuIn 2 Som 2 som stöder exotisk elektrisk ledning som kan avstämmas av ett magnetfält. Upptäckten har betydande implikationer för grundforskning om funktionella topologiska egenskaper och kan en dag komma att användas i ett antal avancerade teknologitillämpningar.
Topologiska material bröt upp på scenen inom de fysikaliska vetenskaperna för ungefär femton år sedan, årtionden efter att deras existens hade teoretiserats. Kallas "topologiska" eftersom deras bulk elektroniska band är "knutna" ihop, ytorna på topologiska isolatorer "löser upp knuten" och blir metalliska. Forskare vid Ames Laboratory's Center for the Advancement of Topological Semimetals (CATS) försöker upptäcka, förstå, och kontrollera dessa materials exceptionella ledningsegenskaper.
Mycket av modern teknik bygger på kristallina material, som är fasta ämnen som består av ett upprepande (periodiskt) arrangemang av atomer som bildar ett gitter. På grund av periodiciteten, gittret ser likadant ut efter vissa symmetrioperationer som translation, specifika rotationer, spegel, och/eller inversion. Förekomsten eller frånvaron av dessa symmetrier påverkar elektronisk bandtopologi och ytelektronisk ledning. Magnetisk ordning kan modifiera symmetrierna som materialet uppvisar, tillhandahålla ett ytterligare sätt att kontrollera det topologiska tillståndet.
I samarbete med forskare vid Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source, McGill University, och University of Missouri Research Reactor Center, CATS-teamet upptäckte förekomsten av lågsymmetrisk spiralmagnetisk ordning i EuIn 2 Som 2 som stöder ett mycket eftertraktat topologiskt tillstånd som kallas en axionsisolator. Detta tillstånd delar likheter med axionpartikeln i kvantkromodynamik som är en kandidatkomponent i mörk materia. I fasta material, det ger en anmärkningsvärd parallellkoppling mellan magnetiska och elektriska egenskaper.
I närvaro av den komplexa spiralformade magnetiska ordningen av EuIn 2 Som 2 , axionstillståndet leder till topologiska egenskaper i det elektroniska ytspektrumet som kallas Dirac-koner. När en Dirac-kon uppträder på en yta av materialet som penetreras av en fundamental axel av den magnetiska ordningen, könen har inget energigap och ytan uppvisar motståndslös ledning knuten till orienteringen av det elektroniska spinnet. De andra ytorna har gapade Dirac-koner och stödjer halvheltals kvantiserad elektrisk ledning. Forskarna förutspår att tillämpningen av ett relativt måttligt magnetfält växlar vilka ytor som stöder vilken typ av Dirac-kon, så att ytledningen kan avstämmas.
Förmågan att växla mellan yttillstånd med ett magnetfält ger en experimentell väg för att undersöka de unika egenskaperna hos dess topologiska tillstånd. Denna inställning är också lovande för teknologier som högprecisionssensorer, motståndslösa nanotrådar, magnetiska lagringsmedia, och kvantdatorer. Framtida studier kommer att titta på bulkkristaller medan de applicerar ett magnetfält och kommer att syntetisera och studera tunna filmer i nanoskala för att bana väg för tekniska tillämpningar.
Pappret, "Magnetisk kristallin-symmetri-skyddad axionselektrodynamik och fältavstämbara ostiftade Dirac-koner i EuIn 2 Som 2 , " publiceras i Naturkommunikation .
