Wetenschappers van Argonne hebben een nieuwe klasse van topologische materialen geïdentificeerd die zijn gemaakt door overgangsmetaalatomen in het atomaire rooster van een bekend tweedimensionaal materiaal te plaatsen.

In recente jaren, wetenschappers zijn geïntrigeerd geraakt door een nieuw soort materiaal dat een soort ongewoon en gespleten gedrag vertoont. Deze structuren, topologische materialen genoemd, kunnen aan hun oppervlak andere eigenschappen vertonen dan aan hun massa. Dit gedrag heeft de aandacht getrokken van wetenschappers die geïnteresseerd zijn in nieuwe toestanden van materie en technologen die geïnteresseerd zijn in mogelijke elektronische en spintronische toepassingen.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben een nieuwe klasse van topologische materialen geïdentificeerd die zijn gemaakt door overgangsmetaalatomen in het atoomrooster van niobiumdiselenide (NbS ₂ ), een bekend tweedimensionaal materiaal. Ze ontdekten dat CoNb ₃ S ₆ , een antiferromagnetisch materiaal, vertoont een extreem groot afwijkend Hall-effect, een teken van het topologische karakter van materialen.

Het gewone Hall-effect komt voor in alle elektrische geleiders. Het effect is in wezen een kracht die een elektron ervaart als het door een magnetisch veld beweegt. "In elk metaal, elektronen worden loodrecht op hun reisrichting geduwd en loodrecht op een aangelegd extern magnetisch veld, het creëren van een spanning, " zei Nirmal Ghimire, een assistent-professor aan de George Mason University en een recente postdoctorale fellow van de directeur van Argonne, die de eerste auteur van de studie was. "Als het materiaal zelf een ferromagneet is, een extra bijdrage wordt gesuperponeerd op de gewone Hall-spanning; dit staat bekend als het abnormale Hall-effect (AHE)."

In de studie, Ghimire en zijn collega's keken naar CoNb ₃ S ₆ en vond iets onverwachts:een grote AHE in bescheiden magnetische velden. "Een AHE kan ook worden gevonden in materialen waar de elektronische structuur speciale kenmerken heeft die bekend staan ​​​​als topologische kenmerken, " zei Ghimire. "De configuratie van atomen in het rooster creëert symmetrieën in het materiaal die leiden tot de vorming van topologische banden - energiegebieden die elektronen bewonen. Het zijn deze bands, in bepaalde configuraties, dat kan leiden tot een uitzonderlijk grote AHE."

Op basis van berekeningen en metingen, Ghimire en zijn collega's suggereren dat CoNb ₃ S ₆ bevat deze topologische banden.

"De topologische kenmerken komen voort uit een combinatie van de symmetrie van het materiaal, evenals de juiste elektronenconcentratie om deze topologische kenmerken op het Fermi-niveau te plaatsen, wat de hoogst beschikbare elektronische energietoestand is bij nultemperatuur, " merkte John Mitchell op, interim-directeur van de afdeling Materials Science van Argonne en co-auteur van de studie.

"Van slechts een handvol materialen is tot nu toe aangetoond dat ze de nodige karakteristieke topologische punten hebben in de buurt van het Fermi-niveau, "Zei Mitchell. "Om meer te vinden, moet je zowel de materiële natuurkunde als de scheikunde begrijpen."

De ontdekking zou de weg kunnen effenen voor toekomstige vooruitgang in een brede klasse van materialen, volgens Mitchel. "We hebben nu een ontwerpregel voor het maken van materialen die deze eigenschappen aantonen, "zei hij. "CoNb ₃ S ₆ is een lid van een grote klasse van gelaagde tweedimensionale materialen en dus zou dit de deur kunnen openen naar een grote ruimte van nieuwe topologische materie."