Elektroner i en topologisk kvantmetall som väntar på att aktiveras av ett magnetfält. När de väl börjar röra på sig, de följer en spiralformad spiral uppåt – i motsats till den tidigare föreslagna bilden av elektroner som rör sig i cirklar i ett tvådimensionellt plan. Detta skapar en speciell effekt som är grunden för lovande topologiska kvantfenomen. Kredit:Jörg Bandmann
Forskare från Cluster of Excellence ct.qmat - Komplexitet och topologi i kvantämne har utvecklat en ny förståelse för hur elektroner beter sig i starka magnetfält. Deras resultat förklarar mätningar av elektriska strömmar i tredimensionella material som signalerar en kvant Hall-effekt-ett fenomen som hittills bara är associerat med tvådimensionella metaller. Denna nya 3D-effekt kan vara grunden för topologiska kvantfenomen, som antas vara särskilt robusta och därför lovande kandidater för extremt kraftfull kvantteknik. Dessa resultat har precis publicerats i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .
Dr. Tobias Meng och Dr. Johannes Gooth är forskare i tidiga karriärer i Würzburg-Dresdner Cluster of Excellence ct.qmat som forskar om topologiska kvantmaterial sedan 2019. De kunde knappt tro resultaten av en nyligen publicerad publikation i Natur hävdar att elektroner i den topologiska metallen zirkoniumpentatellurid (ZrTe 5 ) rör sig bara i tvådimensionella plan, trots att materialet är tredimensionellt. Meng och Gooth startade därför sin egen forskning och experiment på materialet ZrTe 5 . Meng från Technische Universität Dresden (TUD) utvecklade den teoretiska modellen, Gooth från Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids utformade experimenten. Sju mätningar med olika tekniker leder alltid till samma slutsats.
Elektroner som väntar på sin tur
Forskningen av Meng och Gooth målar upp en ny bild av hur Hall-effekten fungerar i tredimensionella material. Forskarna tror att elektroner rör sig genom metallen längs tredimensionella banor, men deras elektriska transport kan fortfarande framstå som tvådimensionell. I den topologiska metallen zirkoniumpentatellurid, detta är möjligt eftersom en bråkdel av elektronerna fortfarande väntar på att aktiveras av ett externt magnetfält.
"Sättet som elektroner rör sig på är konsekvent i alla våra mätningar, och liknande vad som annars är känt från de tvådimensionella kvanthalleffekterna. Men våra elektroner rör sig uppåt i spiraler, snarare än att vara begränsad till en cirkulär rörelse i plan. Detta är en spännande skillnad för kvanthalleffekten och till de föreslagna scenarierna för vad som händer i materialet ZrTe5, " kommenterar Meng om tillkomsten av deras nya vetenskapliga modell. "Detta fungerar bara eftersom inte alla elektroner rör sig hela tiden. En del står stilla, som om de stod i kö. Först när ett externt magnetfält appliceras blir de aktiva. "
Hallresistivitet som en funktion av det applicerade magnetfältet vid 2 K i enheter av Plancks konstanta h, den elementära laddningen e och Fermi-vågsvektorn längs det applicerade magnetfältet kF, z En skiss av provet visas uppe till vänster. Den tredimensionella Fermi-ytan av elektronerna i ZrTe5 visas längst ner till höger. Kredit:© MPI CPfS
Experiment bekräftar modellen
För deras experiment, forskarna kylde det topologiska kvantmaterialet till -271 grader Celsius och applicerade ett externt magnetfält. Sedan, de utförde elektriska och termoelektriska mätningar genom att skicka strömmar genom provet, studerat dess termodynamik genom att analysera materialets magnetiska egenskaper, och applicerade ultraljud. De använde till och med röntgen, Raman och elektronisk spektroskopi för att undersöka materialets inre funktion. "Men ingen av våra sju mätningar antydde att elektronerna bara rörde sig tvådimensionellt, " förklarar Meng, chef för Emmy Noether-gruppen för kvantdesign vid TUD och ledande teoretiker i detta projekt. "Vår modell är faktiskt förvånansvärt enkel, och förklarar fortfarande alla experimentella data perfekt."
Utsikter för topologiska kvantmaterial i 3D
Den Nobelprisbelönta kvanthalleffekten upptäcktes 1980 och beskriver den stegvisa ledningen av ström i en metall. Det är en hörnsten i topologisk fysik, ett område som har upplevt en uppgång sedan 2005 på grund av sina löften för 2000-talets funktionella material. Hittills, dock, kvanthalleffekten har bara observerats i tvådimensionella metaller. De vetenskapliga resultaten av denna publikation förstärker förståelsen för hur tredimensionella material beter sig i magnetfält. Klustermedlemmarna Meng och Gooth har för avsikt att fortsätta denna nya forskningsriktning:"Vi vill definitivt undersöka elektronernas köbeteende i 3D -metaller mer detaljerat, säger Meng.
