De waarneming van een abnormale toestand van materie in een tweedimensionaal magnetisch materiaal is de nieuwste ontwikkeling in de race om nieuwe elektronische eigenschappen te benutten voor robuustere en efficiëntere apparaten van de volgende generatie.

Neutronenverstrooiing in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy (DOE's) hielp een multi-institutioneel team onder leiding van Tulane University bij het onderzoeken van een grafeenachtig strontium-mangaan-antimoonmateriaal (Sr _1-jaar Mn _1-z sb ₂ ) dat herbergt wat onderzoekers vermoeden dat het een Weyl-halfmetaalfase is.

De eigenschappen van Weyl-halfmetalen omvatten zowel magnetisme als topologisch halfmetaalgedrag, waarin elektronen - of ladingsdragers - bijna massaloos zijn en immuun voor geleidingsdefecten. De resultaten van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

De neutronenverstrooiingsmetingen bij de Hoge Flux Isotopen Reactor, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL, en magnetische veldstudies aan het National High Magnetic Field Laboratory van de Florida State University onthulden belangrijke mechanistische gedragingen die de relatie van het kwantummateriaal tussen elektronentransport en magnetisme ondersteunen.

"Weyl-halfmetalen zijn op dit moment een soort heilige graal in de natuurkunde, " zei Alan Tennant, hoofdwetenschapper bij het directoraat Neutronenwetenschappen van ORNL. "Sommige van dit soort materialen vertonen kwantumgedrag bij kamertemperatuur, dat is precies wat moet worden bereikt om een ​​pad naar kwantumelektronica te bieden."

Aanzienlijk sterker dan staal, en een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit, grafeen is een zeer wenselijk bouwmateriaal voor elektronica. Echter, het mist traditionele magnetische eigenschappen die nodig zijn om meer controle over het elektronentransport te krijgen. Daarom zoeken onderzoekers naar Weyl-halfmetalen, zegt Qiang Zhang, een gastwetenschapper van de Louisiana State University (LSU) die werkt in het Shull Wollan Center van ORNL - een gezamenlijk instituut voor neutronenwetenschappen.

"Weyl-halfmetalen zijn zeldzaam, en de meeste zijn niet-magnetisch. We hebben er een gevonden die magnetisch is, "Zei Zhang. "Als we het elektronische gedrag dat we in dit materiaal hebben gevonden, beter kunnen begrijpen, het zou computer- en smartphonetechnologieën aanzienlijk kunnen versnellen."

De elektronen in grafeen hebben een beroemde eigenschap:ze vormen een "Dirac-kegel", waarin hun momentum en energie op vrijwel dezelfde manier gerelateerd zijn als in licht.

In tegenstelling tot grafeen, het materiaal van het team vertoont traditioneel magnetisme, of ferromagnetisme, wat betekent dat de elektronen in een parallelle opstelling zijn uitgelijnd, zoals de noord- en zuidpool van een typische staafmagneet. Maar het vertoont ook antiferromagnetisme, waarin de elektronen in tegengestelde richtingen naar hun naburige elektronen wijzen.

Het magnetisme heeft een diepgaand effect, Tennant legt uit. De tegengestelde bewegingen van de elektronen zorgen ervoor dat de Dirac-kegel uit elkaar scheurt of in tweeën splitst, zodat er twee nieuwe kegels ontstaan. Dit breekt een principe dat bekend staat als tijdomkeringssymmetrie, wat betekent dat het systeem niet hetzelfde zou zijn als de tijd zou worden teruggedraaid. "Denk aan een tol die achteruit gaat, " hij zegt.

Wanneer de twee kegels de tijdomkeersymmetrie doorbreken, ze induceren een Weyl-halfmetaaltoestand waarin de elektronen massa verliezen.

De betekenis is dat elektronen, zoals veel deeltjes, massa hebben. Daarom hebben elektronen - naast steeds kleinere transistors en soortgelijke ladingdragende materialen - de neiging om te bottlenecken, of verkeersopstoppingen veroorzaken. In Weyl-halfmetalen, de elektronen lijken meer op ladingsdragers die zich gedragen alsof ze bijna massaloos zijn, waardoor ze zeer mobiel zijn.

Het onderzoeken van een kleine, hoogwaardig kristal geteeld aan de Tulane University, het team was in staat om de magnetische structuur van Sr1-yMn1-zSb2 te bepalen met behulp van neutronen bij het Four-Circle Diffractometer-instrument bij de High Flux Isotoop Reactor.

Neutronen zijn ideale hulpmiddelen voor het identificeren en karakteriseren van magnetisme in bijna elk materiaal, omdat ze, zoals elektronen, vertonen een stroom van magnetisme die 'spin' wordt genoemd.

"We ontdekten twee soorten ferromagnetische orden en vonden het experimentele bewijs van het breken van de tijdomkeringssymmetrie, waarschijnlijk een Weyl-toestand creëren in Sr1-yMn1-zSb2. Dit maakt dit systeem een ​​uitstekende kandidaat om het effect van het breken van de tijdomkeringssymmetrie op de elektronische bandstructuur te bestuderen, " zei Zhang.