Интернациональная группа ученых, возглавляемая исследователями из Принстонского института, открыла новейший класс магнитов, которые показывают новейшие квантовые эффекты, которые распространяются на комнатную температуру.
Исследователи нашли квантовую топологическую фазу в чистом магните. Их результаты дают представление о 30-летней теории о том, как электроны самопроизвольно квантуются, и показывают способ принципа подтверждения для открытия новейших топологических магнитов.
Квантовые магниты являются перспективными платформами для тока без диссипации, высочайшей емкости и будущих экологически незапятнанных технологий. Исследование было размещено в журнальчике Nature на данной нам недельке.
Корешки открытия лежат в работе квантового эффекта Холла – формы топологического эффекта, который был предметом Нобелевской премии по физике в 1985 году. Это был 1-ый вариант, когда раздел теоретической арифметики, нареченный топологией, начал фундаментально изменять то, как мы описываем и классифицируем материю, которая составляет мир вокруг нас.
С того времени топологические фазы активно изучаются в науке и технике. Было найдено много новейших классов квантовых материалов с топологическими электрическими структурами, включая топологические изоляторы и полуметаллы Вейля. Но, хотя некие из более захватывающих теоретических мыслях требуют магнетизма, большая часть исследованных материалов были немагнитными и не имеют квантования, оставляя почти все достойные внимания способности нереализованными.
«Открытие магнитного топологического материала с квантованным поведением является принципиальным шагом вперед, который может открыть новейшие горизонты в использовании квантовой топологии для будущей базовой физики и исследовательских работ устройств последующего поколения», – произнес Захид Хасан, доктор физики, который возглавлял исследовательскую группу.
В то время как экспериментальные открытия делались стремительно, теоретическая физика преуспела в разработке мыслях, ведущих к новеньким измерениям. Принципиальные теоретические представления о двумерных топологических изоляторах были выдвинуты в 1988 году Дунканом Холдейном, который в 2016 году был удостоен Нобелевской премии по физике за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества.
Следующие теоретические разработки проявили, что в топологическом магнетизме, содержащем изолятор, в особенном расположении атомов, известном как сетка Кагоме, могут происходить некие из самых странноватых квантовых эффектов.
Захид Хасан и его команда десятилетиями находили топологическое магнитное квантовое состояние, которое также может работать при комнатной температуре, с того времени как они открыли 1-ые примеры трехмерных топологических изоляторов.
Не так давно они отыскали вещественное решение для догадки Холдейна в решетчатом магните Кагоме, который способен работать при комнатной температуре, что также показывает хотимое квантование.
«Сетка Кагоме быть может спроектирована так, чтоб она имела релятивистские пересечения зон и мощные электрон-электронные взаимодействия. И то, и другое принципиально для новейшего магнетизма. Потому мы сообразили, что магниты Кагоме являются перспективной системой для поиска топологических магнитных фаз, которые похожи на топологические изоляторы, которые мы изучали ранее “, – произнес Захид Хасан.
В течение долгого времени ровная вещественная и экспериментальная визуализация этого явления оставалась неуловимой. Исследователи нашли, что большая часть магнитов в форме Кагоме было очень трудно синтезировать, магнетизм не был довольно отлично понят, никаких решающих экспериментальных признаков топологии либо квантования не наблюдалось, либо они были лишь при весьма низких температурах.
Смотрите такжеФизика
Ученые сделали новейший прорыв в спинтронике
5.07.2020Физика
Сжатии световых импульсов для исследования новейшей физики
5.07.2020
«Пригодный дизайн атомной химии и магнитной структуры в сочетании с теорией первых принципов является решающим шагом к тому, чтоб создать прогноз Дункана Холдейна близким к реальности в критериях высочайшей температуры», – произнес Хасан. «Есть сотки магнитов Кагоме, и нам необходимы как интуиция, опыт, расчеты для определенных материалов, так и интенсивные экспериментальные усилия, чтоб в итоге отыскать пригодный материал для углубленного исследования. И это привело нас к десятилетнему путешествию».
В течение пары лет интенсивных исследовательских работ нескольких семейств топологических магнитов команда ученых равномерно поняла, что материал, состоящий из частей тербия, магния и олова (TbMn6Sn6), имеет безупречную кристаллическую структуру с химически незапятнанными, квантово-механическими качествами и пространственно сегрегированные слои сетки Кагоме.
Не считая того, он неповторимо различается мощной внеплоскостной намагниченностью. С сиим безупречным магнитом Кагоме, удачно синтезированным на большенном монокристаллическом уровне сотрудниками группы Шуан Цзя в Пекинском институте, группа Хасана начала периодические измерения, чтоб проверить, являются ли кристаллы топологическими и, что наиболее принципиально, имеют ли хотимое экзотичное квантовое магнитное состояние.
Команда исследователей из Принстона употребляла продвинутую технику, известную как сканирующая туннельная микроскопия, которая способна определять электрические и спиновые волновые функции материала в субатомном масштабе с субмилливольтным энергетическим разрешением. В этих буквально настроенных критериях исследователи идентифицировали атомы магнитной сетки Кагоме в кристалле, результаты которых были доказаны современной фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением и импульсным разрешением.
«Первым сюрпризом было то, что магнитная сетка Кагоме в этом материале весьма незапятнанная в нашей сканирующей туннельной микроскопии», – гласит Сонгтиан Сон Чжан, соавтор исследования. «Экспериментальная визуализация таковой бездефектной магнитной сетки Кагоме дает беспримерную возможность изучить ее внутренние топологические квантовые характеристики».
Реальный магический момент был, когда исследователи включили магнитное поле. Они нашли, что электрические состояния сетки Кагоме резко модулируются, образуя квантованные энерго уровни таковым образом, который согласуется с топологией Дирака. Равномерно увеличивая магнитное поле до 9 Тесла, что в сотки тыщ раз превосходит магнитное поле Земли, они систематически определяли полное квантование этого магнита.
Квантованная диаграмма, измеренная командой, предоставляет точную информацию, показывающую, что электрическая фаза соответствует варианту модели Холдейна. Это подтверждает, что кристалл имеет спин-поляризованную дираковскую дисперсию с энергетической щелью (энергетическая область в жестком теле, где нет электрических состояний, другими словами энергетическая область, где плотность состояний обращается в нуль), как и следует из теории топологических магнитов. Но одна часть головоломки все еще отсутствовала.
«Если это вправду энергетическая щель Черна, то, основываясь на базовом топологическом принципе большой границы, мы должны следить киральные состояния (однобокое движение) на краю кристалла», – произнес Захид Хасан.
Крайняя часть головоломки встала на пространство, когда исследователи сканировали границу либо край магнита. Они отыскали четкую сигнатуру краевого состояния лишь в границах энергетической щели. Распространяясь вдоль стороны кристалла без видимого рассеяния (что указывает его бездиссипативный нрав), было доказано, что это состояние является киральным топологическим краевым состоянием. Отображение этого состояния было беспримерным в любом прошлом исследовании топологических магнитов.
В истинное время теоретический и экспериментальный энтузиазм группы сдвигается на 10-ки соединений с подобными структурами TbMn6Sn6, которые содержат сетки Кагоме с разными магнитными структурами, любая из которых имеет свою персональную квантовую топологию.
«Наша экспериментальная визуализация квантовой предельной фазы Черна показывает методологию подтверждения принципа обнаружения новейших топологических магнитов», – молвят ученые.
«Это похоже на обнаружение воды на экзопланете – работа открывает новейшие рубежи топологических исследовательских работ квантовых веществ, для которых наша лаборатория была оптимизирована», – произнес Захид Хасан.
Источник: