En teoretisk studie av FLEET som genomfördes denna vecka har hittat en "rykande pistol" i det långa sökandet efter den topologiska magnetiska monopolen som kallas Berry-kurvaturen.

Denna upptäckt är ett genombrott i sökandet efter topologiska effekter i icke-jämviktssystem.

Gruppen, ledd av Dimi Culcer vid UNSW, identifierade en okonventionell Hall-effekt som drivs av ett magnetfält i planet i halvledarhålsystem, som uteslutande spåras till Berry-kurvaturen.

(Omvänt, den vanliga Hall-effekten och den anomala Hall-effekten kräver båda ett magnetfält/magnetisering som är vinkelrät mot ytan.)

Förbättrade topologiska effekter skulle tillåta lågenergi topologisk elektronik genomförbar för storskalig, rumstemperaturdrift, och inkluderades nyligen i IEEE-färdplanen mot framtida elektronik.

Isolerande svar ett genombrottsögonblick

"Isolera topologiska svar i 'vanliga ledare' har varit en historiskt svår uppgift, " säger forskargruppsledaren A/Prof Dimi Culcer (UNSW). "Även om dessa topologiska svar tros vara allestädes närvarande i fasta ämnen."

Kvantiserade svar, såsom quantum Hall och quantum spin-Hall effekter ger ett tydligt fingeravtryck av topologi, ändå har dessa bara observerats i endimensionella (1D) system och är intimt förbundna med existensen av kanttillstånd.

I "vanliga" dirigenter, betyder 2D- och 3D-system, det finns gott om teoretisk litteratur som förutsäger topologiska bidrag till t.ex. den anomala Hall-effekten, men dessa har aldrig observerats entydigt i en transportmätning.

Det finns två huvudorsaker till detta:(i) spin-up och spin-down elektroner ger vanligtvis motsatta bidrag, och dessa tar nästan ut; (ii) vad som än är kvar överväldigas av oordning.

Det nya FLEET-papperet avhjälper denna långvariga brist genom att identifiera ett tvådimensionellt system där Berry-kurvaturen, och bara bärkurvaturen, är ansvarig för Hall-signalen linjär i det applicerade magnetfältet i planet.

"Anmärkningsvärt nog, alla störningsbidrag försvinner:vi är inte medvetna om något annat flerdimensionellt system där detta är sant, säger huvudförfattaren, UNSW Ph.D. student James Cullen. "Dess experimentella mätning är tillgänglig för alla toppmoderna laboratorium över hela världen, därför förväntar vi oss ett stort intresse från experimentalister."

Bärkrökning, den anomala Hall-effekten och topologiska material

Forskarteamet sökte det tydliga matematiska spåret som kallas "Berry curvature, " vilket kan förstås om vi tänker på konceptet parallell transport som förekommer rutinmässigt i geometri och allmän relativitetsteori.

"Tänk på en vektor som en pil som vi placerar någonstans på ytan av ett fast föremål, " förklarar Dimi. "Nu flyttar vi runt pilen, se till att den alltid pekar i samma vinkel mot ytan – det här är i själva verket som en människa som går längs jordens yta. Vi för så småningom tillbaka pilen till startpunkten efter att den har cirklat runt, och vi finner att, i allmänhet, den pekar i en annan riktning – den har magiskt roterat genom någon vinkel. Storleken på denna vinkel bestäms av ytans krökning. "

Inom kvantmekaniken, istället för vektorer har vi vågfunktioner, men vi kan beskriva dynamiken med samma bild, och krökningen kallas för bärkurvaturen.

Rotationsvinkeln ersätts av den berömda Berry-fasen, uppkallad efter den matematiske fysikern Prof Sir Michael Berry, som formulerade problemet på 1980-talet. Senare, bygger på arbete av Nobelpristagaren David Thouless, Qian Niu från UT Austin visade att Berry-kurvaturen beter sig som den eftertraktade magnetiska monopolen - men inte i verkliga rymden, snarare i fartrymden, vilket är det utrymme som de flesta fysiker med kondenserad materia tänker i.

Berry-kurvaturen driver topologiska effekter i system som inte är i jämvikt eftersom när ett elektriskt fält appliceras accelereras en elektron, så dess momentum förändras. När detta händer ändras dess vågfunktion långsamt, på samma sätt som 'pilen' roteras i parallell transport, och som ett resultat av denna gradvisa rotation genereras en tvärgående (Hall) ström. Onsager-relationerna, som är grundläggande för icke-jämviktsfysik, säg att Hallströmmen inte avleder energi. Extremfallet är den kvantanomala Hall-effekten (QAHE), en kvanteffektnyckel till funktionen av topologiska material, i vilken kantströmmar kan flyta med effektivt noll elektriskt motstånd.

('Quantum' beskriver 'steg'-övergång i det tvärgående (Hall) motståndet - dvs. det varierar i diskreta steg snarare än jämnt – medan "avvikande" hänvisar till fenomenets förekomst i frånvaro av något applicerat magnetfält.)

Forskare försöker förbättra QAHE för att skydda topologiskt beteende vid högre temperaturer, möjliggör topologisk elektronik som skulle vara genomförbar för rumstemperaturdrift.

"Den betydande minskningen av elektriskt motstånd som tillåts av rumstemperatur QAHE skulle tillåta oss att avsevärt minska strömförbrukningen i elektroniska enheter, säger Dimi.