Topologie is een globaal aspect van materialen, wat leidt tot fundamentele nieuwe eigenschappen voor verbindingen met grote relativistische effecten. De opname van zware elementen geeft aanleiding tot niet-triviale topologische fasen van materie, zoals topologische isolatoren, Dirac en Weyl halfmetalen. De halfmetalen worden gekenmerkt door bandaanrakende punten met lineaire dispersie, vergelijkbaar met massaloze relativistische deeltjes in de hoge-energiefysica.

Het samenspel van symmetrie, relativistische effecten en, in magnetische materialen, de magnetische structuur, maakt de realisatie van een breed scala aan topologische fasen mogelijk door middel van Berry-krommingsontwerp. De Berry-kromming beschrijft de verstrengeling van de valentie- en geleidingsbanden in een energiebandstructuur. Weyl-punten en andere topologische elektronische banden kunnen worden gemanipuleerd door verschillende externe verstoringen zoals magnetische velden en druk, wat resulteert in exotische lokale eigenschappen zoals de chirale of zwaartekrachtafwijking en grote topologische Hall-effecten, concepten die zijn ontwikkeld op andere gebieden van de natuurkunde, zoals hoge-energiefysica en astrofysica.

Weyl-halfmetalen vereisen gebroken inversiekristalsymmetrie of tijdomkeersymmetrie (via magnetische volgorde of een aangelegd magnetisch veld). Tot dusver, er zijn geen intrinsieke magnetische Weyl-halfmetalen met Weyl-knooppunten in de buurt van de Fermi-energie gerealiseerd. In de recente studie, wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van Vaste Stoffen in Dresden, in samenwerking met de Technische Universität Dresden, wetenschappers uit Peking, Princeton, Oxford, en anderen vonden bewijs voor Weyl-fysica in de magnetische shandites Co ₃ sn ₂ S ₂ . De familie van shandietkristallen bevat overgangsmetalen op een quasi tweedimensionaal Kagome-rooster dat aanleiding kan geven tot magnetisme. Een van de meest interessante is Co ₃ sn ₂ S ₂ , die de hoogste magnetische ordeningstemperatuur heeft binnen deze familie en waarin de magnetische momenten op de Co-atomen zijn uitgelijnd in een richting loodrecht op het Kagome-vlak.

De waarneming van het kwantum afwijkende Hall-effect bij kamertemperatuur zou nieuwe computertechnologieën mogelijk maken, waaronder kwantumcomputing. Om deze mogelijkheid te realiseren, onze strategie is (i) zoeken naar quasi tweedimensionale magnetische materialen met topologische bandstructuren en (ii) deze materialen synthetiseren als monolagen of zeer dunne films. Echter, tot nu toe zijn er geen magnetische materialen bekend, wat zou kunnen leiden tot een kwantum abnormaal Hall-effect bij hogere temperaturen. Om grote Hall-hoeken te verkrijgen, namelijk, de verhouding van de hal tot de elektrische geleidbaarheid, er moet aan twee voorwaarden worden voldaan:ten eerste een grote Hall-geleidbaarheid en ten tweede een klein aantal dragers. Aan deze voorwaarden wordt voldaan in Weyl-halfmetalen waar de Weyl-knooppunten qua energie dicht bij de Fermi-energie liggen.

We hebben ontdekt dat Co ₃ sn ₂ S ₂ geeft een gigantisch afwijkend Hall-effect en een gigantische halhoek weer bij temperaturen tot 150 K, suggestief voor een Weyl-halfmetaal. Daaropvolgende bandstructuurberekeningen tonen inderdaad de aanwezigheid van Weyl-knooppunten dicht bij de Fermi-energie. Bovendien, magnetotransportmetingen geven bewijs voor een chirale anomalie die een duidelijke signatuur is van een Weyl-halfmetaal. Ons werk biedt een duidelijk pad naar de waarneming van een kwantum abnormaal hall-effect bij kamertemperatuur door families van magnetische Weyl-halfmetalen te onderzoeken.

Deze studie, Voor de eerste keer, realiseert de gigantische afwijkende Hall-effecten door een magnetisch Weyl-halfmetaal te gebruiken, die de magnetische Weyl-halfmetaalkandidaat Co . vaststelt ₃ sn ₂ S ₂ als een belangrijke materiaalklasse voor fundamenteel onderzoek en toepassingen die de topologische fysica en spintronica met elkaar verbinden. Met een lange afstand out-of-plane ferromagnetisme op het Kagomé-roostermodel voor het platform van kwantumtopologische toestanden, we verwachten verder dat dit materiaal een uitstekende kandidaat is voor observatie van de kwantum afwijkende Hall-toestand in de tweedimensionale limiet.