Under de senaste åren har fysiker och materialvetare identifierat olika nya material präglade av intressanta egenskaper och kvanteffekter. Dessa material kan visa sig vara mycket värdefulla både som plattformar för att studera kvanteffekter och för utvecklingen av nya kvantberäkningsenheter.
En klass av material som har väckt särskild uppmärksamhet är kvantanomala Hall-isolatorer. Dessa material har intressanta egenskaper som gör det möjligt för dem att leda elektricitet på mycket kontrollerade och effektiva sätt, genom att utnyttja kvantmekaniska effekter och magnetism.
Forskare vid Fudan University i Kina har nyligen försökt identifiera nya lovande kvantanomala Hall-isolatorer. Deras senaste artikel, publicerad i Physical Review Letters , beskriver de unika egenskaperna hos monolager V2 MX4 , som kan tillhöra en ny familj av kvantanomala Hall-isolatorer.
"Att hitta inneboende kvantanomala Hall-material är ett viktigt mål i topologisk materialforskning", säger Jing Wang, medförfattare till tidningen, till Phys.org. "Efter att vi förutspådde MnBi2 Te4 , ett paradigmexempel på magnetisk topologisk isolator och som uppvisar kvantanomal Hall-effekt i udda lager, har vi funderat på att hitta en ny inneboende kvantanomal Hall-isolator med stort gap."
Kvantanomala Hall-isolatormaterial med stora gap uppvisar en kvantanomal Hall-effekt med ett relativt stort energigap mellan valens- och ledningsbandet. Dessa material bör uppvisa en synergi mellan två till synes motstridiga egenskaper, nämligen spin-orbit-koppling och ferromagnetism.
"Nyckeln är rotad i d-orbitaler, där både topologi och magnetism samexisterar," sade Wang. "I våra tidigare arbeten presenterade vi först ATiX, en klass av kvantanomala Hall-material som kännetecknas av rymdgruppen P4/nmm," sa Wang. "Symmetrianalysen i P4/nmm ledde till slut att vi identifierade V2 MX4 material under rymdgruppen P-42m."
V2 MX4 , kunde den nya familjen av material som identifierats av Wang och hans medarbetare syntetiseras med hjälp av processer som har använts i stor utsträckning för att syntetisera föreningar med liknande strukturer, såsom Cu2 MX4 och Ag2 MX4 . Denna nya familj av material inkluderar totalt 10 material med icke-triviala topologiska bandgap och liknande egenskaper, varav sex har teoretiskt bevisats uppvisa både dynamisk och termodynamisk stabilitet.
"Det överflöd av kandidater understryker universaliteten i denna struktur, vilket förbättrar utsikterna för syntes," förklarade Wang. "När det gäller prestanda tycker vi att det är en passande beskrivning av V2 MX4 familjen är 'enkel men ändå kraftfull'. Den enkla Hund-regeln ger höga Curie-temperaturer (från 200 till 500 K). Bandinversionen vid gammapunkten ger ett stort icke-trivialt topologiskt bandgap (från 100 till 300 meV)."
De numeriska beräkningarna och simuleringarna utförda av Wang och hans kollegor tyder på att V2 MX4 material har rika topologiska egenskaper. De är kvantanomala Hall-isolatorer i sitt udda lager, axionsisolatorer i sitt jämna lager, antiferromagnetiska topologiska isolatorer i sitt 3D-grundtillstånd och 3D-kvantanomala Hall-isolatorer i sitt ferromagnetiska tillstånd 3D.
Forskarna har nu börjat samarbeta med ett team av experimentella fysiker för att syntetisera V2 MX4 i laboratoriemiljöer. Deras arbete kan bana väg för att identifiera andra lovande kvantanomala Hall-isolatorer, vilket kan ha intressanta konsekvenser för kvantfysikforskning och utveckling av kvantteknologi.
"V2 MX4 framstår som en av de mest konkurrenskraftiga kandidaterna för högtemperaturkvantavvikande Hall-isolatorer med stora luckor," tillade Wang. "Om det realiseras experimentellt, skulle det i hög grad kunna främja forskning och tillämpning av topologisk kvantfysik. Ett viktigt mål för vår nästa forskning kommer att vara att hitta nya inneboende topologiska isolatormaterial, och vi samarbetar samtidigt med experimentella grupper för att tillverka V2 MX4 ."
Mer information: Yadong Jiang et al, Monolayer V2 MX4 :En ny familj av Quantum Anomalous Hall Insulators, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.106602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.14685
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
© 2024 Science X Network
