Een motief van Japans mandenvlechten, bekend als het kagomepatroon, houdt natuurkundigen al tientallen jaren bezig. Kagome-manden zijn meestal gemaakt van stroken bamboe die zijn geweven in een zeer symmetrisch patroon van verweven, hoekdelende driehoeken.

Als een metaal of ander geleidend materiaal op atomaire schaal zou kunnen lijken op zo'n kagomepatroon, met individuele atomen gerangschikt in soortgelijke driehoekige patronen, het zou in theorie exotische elektronische eigenschappen moeten vertonen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , natuurkundigen van MIT, Harvard universiteit, en Lawrence Berkeley National Laboratory melden dat ze voor het eerst een kagome-metaal hebben geproduceerd - een elektrisch geleidend kristal, gemaakt van lagen ijzer- en tinatomen, waarbij elke atoomlaag is gerangschikt in het herhalende patroon van een kagome-rooster.

Toen ze een stroom door de kagome-lagen in het kristal lieten vloeien, merkten de onderzoekers op dat de driehoekige rangschikking van atomen vreemde, kwantumachtig gedrag in de passerende stroom. In plaats van recht door het rooster te stromen, elektronen in plaats daarvan zwenkten, of teruggebogen in het rooster.

Dit gedrag is een driedimensionale neef van het zogenaamde Quantum Hall-effect, waarin elektronen die door een tweedimensionaal materiaal stromen een "chiraal, topologische staat, " waarin ze buigen in strak, cirkelvormige paden en stromen langs randen zonder energie te verliezen.

"Door het kagome-netwerk van ijzer te construeren, die inherent magnetisch is, dit exotische gedrag houdt aan tot kamertemperatuur en hoger, " zegt Joseph Checkelsky, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "De ladingen in het kristal voelen niet alleen de magnetische velden van deze atomen, maar ook een puur kwantummechanische magnetische kracht van het rooster. Dit kan leiden tot een perfecte geleiding, verwant aan supergeleiding, in toekomstige generaties materialen."

Om deze bevindingen te onderzoeken, het team heeft het energiespectrum in het kristal gemeten, met behulp van een moderne versie van een effect dat voor het eerst werd ontdekt door Heinrich Hertz en werd uitgelegd door Einstein, bekend als het foto-elektrisch effect.

"Fundamenteel, de elektronen worden eerst van het oppervlak van het materiaal uitgestoten en worden vervolgens gedetecteerd als een functie van de starthoek en kinetische energie, " zegt Riccardo Comin, een assistent-professor natuurkunde aan het MIT. "De resulterende afbeeldingen zijn een zeer directe momentopname van de elektronische niveaus die worden ingenomen door elektronen, en in dit geval onthulden ze de creatie van bijna massaloze 'Dirac'-deeltjes, een elektrisch geladen versie van fotonen, de quanta van licht."

De spectra onthulden dat elektronen door het kristal stromen op een manier die suggereert dat de oorspronkelijk massaloze elektronen een relativistische massa kregen, vergelijkbaar met deeltjes die bekend staan ​​​​als massieve Dirac-fermionen. theoretisch, dit wordt verklaard door de aanwezigheid van de samenstellende ijzer- en tinatomen van het rooster. De eerste zijn magnetisch en geven aanleiding tot een "handigheid, " of chiraliteit. De laatste hebben een zwaardere nucleaire lading, produceren van een groot lokaal elektrisch veld. Als een externe stroom langs stroomt, het voelt het veld van het tin niet als een elektrisch veld, maar als een magnetisch veld, en buigt weg.

Het onderzoeksteam werd geleid door Checkelsky en Comin, evenals afgestudeerde studenten Linda Ye en Min Gu Kang in samenwerking met Liang Fu, de Biedenharn universitair hoofddocent natuurkunde, en postdoc Junwei Liu. Het team omvat ook Christina Wicker '17, onderzoekswetenschapper Takehito Suzuki van MIT, Felix von Cube en David Bell van Harvard, en Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, en Eli Rotenberg van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

"Geen alchemie vereist"

Natuurkundigen theoretiseren al tientallen jaren dat elektronische materialen exotisch Quantum Hall-gedrag zouden kunnen ondersteunen met hun inherente magnetische karakter en roostergeometrie. Pas enkele jaren geleden boekten onderzoekers vooruitgang bij het realiseren van dergelijke materialen.

"De gemeenschap besefte, waarom maak je het systeem niet van iets magnetisch, en dan zou het inherente magnetisme van het systeem dit gedrag misschien kunnen aansturen, " zegt Checkelsky, die op dat moment als onderzoeker aan de Universiteit van Tokio werkte.

Dit elimineerde de noodzaak voor in het laboratorium geproduceerde velden, typisch 1 miljoen keer zo sterk als het aardmagnetisch veld, nodig om dit gedrag te observeren.

"Verschillende onderzoeksgroepen konden op deze manier een Quantum Hall-effect opwekken, maar nog steeds bij ultrakoude temperaturen een paar graden boven het absolute nulpunt - het resultaat van shoehorning-magnetisme in een materiaal waar het van nature niet voorkwam, ', zegt Checkelsky.

Bij het MIT, Checkelsky heeft in plaats daarvan gezocht naar manieren om dit gedrag aan te sturen met 'intrinsiek magnetisme'. Een belangrijk inzicht, gemotiveerd door het doctoraatswerk van Evelyn Tang PhD '15 en Professor Xiao-Gang Wen, was om dit gedrag te zoeken in het Kagome-rooster. Om dit te doen, eerste auteur Gij vermaalt ijzer en tin, verwarmde vervolgens het resulterende poeder in een oven, kristallen produceren bij ongeveer 750 graden Celsius - de temperatuur waarbij ijzer- en tinatomen het liefst in een kagome-achtig patroon rangschikken. Vervolgens dompelde ze de kristallen onder in een ijsbad om de roosterpatronen stabiel te houden bij kamertemperatuur.

"Het kagome-patroon heeft grote lege ruimtes die misschien gemakkelijk met de hand te weven zijn, maar zijn vaak onstabiel in kristallijne vaste stoffen die de voorkeur geven aan de beste pakking van atomen, Zegt Ye. De truc hier was om deze holtes te vullen met een tweede type atoom in een structuur die op zijn minst stabiel was bij hoge temperaturen. Het realiseren van deze kwantummaterialen heeft geen alchemie nodig, maar in plaats daarvan materiaalwetenschap en geduld."

Buigen en springen naar nul-energieverlies

Nadat de onderzoekers verschillende kristallen hadden gekweekt, elk ongeveer een millimeter breed, ze gaven de monsters aan medewerkers van Harvard, die de afzonderlijke atomaire lagen in elk kristal in beeld bracht met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie. De resulterende afbeeldingen onthulden dat de rangschikking van ijzer- en tinatomen in elke laag leek op de driehoekige patronen van het kagome-rooster. specifiek, ijzeratomen waren gepositioneerd op de hoeken van elke driehoek, terwijl een enkel tinatoom in de grotere zeshoekige ruimte zat die tussen de verweven driehoeken was ontstaan.

Ye liet vervolgens een elektrische stroom door de kristallijne lagen lopen en bewaakte hun stroom via elektrische spanningen die ze produceerden. Ze ontdekte dat de ladingen afbogen op een manier die tweedimensionaal leek, ondanks de driedimensionale aard van de kristallen. Het definitieve bewijs kwam van de foto-elektronenexperimenten uitgevoerd door co-eerste auteur Kang, die, in overleg met het LBNL-team, kon aantonen dat de elektronische spectra overeenkwamen met effectief tweedimensionale elektronen.

"Toen we goed naar de elektronische bands keken, we hebben iets ongewoons opgemerkt, Kang voegt eraan toe. "De elektronen in dit magnetische materiaal gedroegen zich als massieve Dirac-deeltjes, iets dat lang geleden was voorspeld, maar nog nooit eerder in deze systemen was gezien."

"Het unieke vermogen van dit materiaal om magnetisme en topologie met elkaar te verweven, suggereert dat ze andere opkomende verschijnselen kunnen veroorzaken, " zegt Comin. "Ons volgende doel is het detecteren en manipuleren van de randtoestanden die het gevolg zijn van de topologische aard van deze nieuw ontdekte kwantumelektronische fasen."

Verder kijken, het team onderzoekt nu manieren om andere, meer tweedimensionale kagome-roosterstructuren te stabiliseren. dergelijke materialen, als ze kunnen worden gesynthetiseerd, kan worden gebruikt om niet alleen apparaten zonder energieverlies te onderzoeken, zoals dissipatieloze hoogspanningsleidingen, maar ook toepassingen in de richting van quantum computing.

"Voor nieuwe richtingen in de kwantuminformatiewetenschap is er een groeiende interesse in nieuwe kwantumcircuits met paden die dissipatieloos en chiraal zijn, " Zegt Checkelsky. "Deze kagome-metalen bieden een nieuw materiaalontwerppad om dergelijke nieuwe platforms voor kwantumschakelingen te realiseren."