Forskare har upptäckt en "lager" Hall-effekt i ett solid state-chip konstruerat av antiferromagnetisk manganvismuttellurid, ett fynd som signalerar ett mycket eftertraktat topologiskt Axion-isoleringstillstånd, laget rapporterar i den aktuella upplagan av tidskriften Natur .

Forskare har försökt hitta bevis för ett topologiskt Axion-isoleringstillstånd (TAI) och utvecklat några kandidatmaterial baserat på teoretiska beräkningar. Den skiktade Hall-effekten representerar det första tydliga experimentella beviset på staten, en egenskap som är bunden av kvantfysikens lagar, enligt Boston College biträdande professor i fysik Qiong Ma, en senior forskare på projektet, som inkluderade 36 forskare från universitet i USA, Japan, Kina, Taiwan, Tyskland, och Indien.

Forskare tror att när det är fullt förstått, TAI kan användas för att tillverka halvledare med potentiella tillämpningar i elektroniska enheter, sa mamma. De mycket ovanliga egenskaperna hos Axions kommer att stödja ett nytt elektromagnetiskt svar som kallas den topologiska magneto-elektriska effekten, banar väg för att inse ultrakänsliga, Ultra snabb, och avledningsfria sensorer, detektorer och minnesenheter.

I centrum för denna undersökning bland fysiker och materialforskare är Axions, svagt interagerande partiklar som först postulerades av teoretiker för mer än 30 år sedan, sa mamma. De är en av de primära kandidaterna för Dark Matter, en mystisk form av materia som tros stå för ungefär 85 procent av universum.

Medan sökandet efter Axions inom högenergifysik pågår aktivt, det har nyligen föreslagits att Axions kan realiseras som kvasipartiklar i fasta material. Den främsta kandidaten som platsen för att lokalisera Axions är i ett kvant-TAI-material, där forskare föreslår att axioner existerar som elektroniska excitationer med låg energi, sa mamma.

"Vi bestämde oss för att söka efter det topologiska Axion-isoleringstillståndet i en noggrant designad kvantanordning gjord av jämnt antal lager MnBi2Te4 - eller manganvismuttellurid, ", sa Ma. "Tidigare studier har visat det isolerande tillståndet, nämligen, mycket stort motstånd, vilket är, dock, sant för alla isolatorer. Vi ville ytterligare demonstrera egenskaper som är unika för Axion isolatorer och som inte finns i vanliga isolatorer, som diamant."

Materialet bildar en tvådimensionell skiktad kristallstruktur, vilket gjorde det möjligt för Ma och hennes kollegor att mekaniskt exfoliera atomtjocka flingor med cellofantejp som finns i de flesta drogaffärer och stormarknader. Tunna flingstrukturer med jämna antal lager föreslogs vara en Axion-isolator.

Ma arbetade nära med andra fysiker från Boston College Brian Zhou och Kenneth Burch. Zhou använde en unik kvantteknik för att detektera magnetismen hos MnBi2Te4. Burch har en unik handskfack som används för att bearbeta provet i en inert miljö.

"Vi karakteriserade först lagernumret med optiska metoder och utförde sedan elektriska transportmätningar, som att mäta provets motstånd under olika förhållanden, inklusive varierande elektriska fält, magnetfält och omgivningstemperatur, " sa mamma.

Forskarna fann Hall-effekten, en välkänd fysiklag där elektroner rör sig i en vinkel från axeln under påverkan av ett applicerat magnetfält. Men i det här fallet, dessa elektroner färdades utan sådan hjälp, sa mamma. Nyckeln var materialens topologi, eller kvantegenskaperna hos dess elektroner och vågorna i vilka de fungerar.

"Vi observerade en ny egenskap för elektroner som rör sig över detta material i dess Axion-isoleringstillstånd:Elektronerna färdas inte i en rät linje, istället, de böjer sig i tvärriktningen. Denna effekt observerades vanligtvis endast under ett stort magnetfält, känd som Hall-effekten, sa mamma. "Men här, avböjningen uppstår på grund av materialens inneboende topologi och utan yttre magnetfält. Mer intressant, elektronerna avböjs till motsatta sidor på topp- och bottenskikten. Därför, vi myntade den som lager Hall-effekten. Lager Hall-effekten fungerar som en distinkt signatur av det topologiska Axion-isoleringstillståndet, vilket inte kommer att hända i vanliga isolatorer."

mamma, vars forskning om projektet stöds av det amerikanska energidepartementet, sade att teamet var förvånade över att finna att det topologiska Axion-isoleringstillståndet och lager Hall-effekten effektivt kan kontrolleras av det så kallade Axion-fältet, som är produkten av att applicera både ett elektriskt fält och ett magnetfält.

"Detta betyder att om elektronerna avböjs åt vänster eller till höger på de övre och nedre lagren kan växlas genom den kollektiva tillämpningen av de elektriska och magnetiska fälten, " sa mamma. "Ett enda fält kan inte byta en situation till en annan."

Harvard University biträdande professor i kemi Suyang Xu, en huvudförfattare till rapporten, Lagt till, "Vi är mycket glada över detta arbete eftersom det visar den första realistiska plattformen för det topologiska Axion-isolatortillståndet."

Ma sa att identifieringen av det topologiska Axion-isoleringstillståndet leder till nästa steg att söka efter signaturer för den definierande Axion-dynamiken i detta system, som är känd som den topologiska magnetoelektriska effekten (ME).

"Den topologiska ME-effekten är en fundamentalt ny mekanism för att omvandla elektricitet till magnetism, eller tvärtom, utan förlorad energi, och har stor potential att realisera ultraenergieffektiva spintronic- och minnesenheter, " sa mamma.

För att demonstrera detta krävs ytterligare optimering av materialkvaliteten, enhetens geometri, och utökade experimentella möjligheter, sa mamma.