Een team van Amerikaanse en Koreaanse natuurkundigen heeft het eerste bewijs gevonden van een tweedimensionaal materiaal dat een magnetische topologische isolator kan worden, zelfs als het niet in een magnetisch veld wordt geplaatst.

"Er zijn veel verschillende kwantum- en relativistische eigenschappen van bewegende elektronen bekend in grafeen, en mensen zijn geïnteresseerd, 'Kunnen we deze zien in magnetische materialen met vergelijkbare structuren?'" zei Pengcheng Dai van Rice University, co-auteur van een studie over het materiaal gepubliceerd in het tijdschrift American Physical Society PRX . Dai, wiens team wetenschappers van Rice omvatte, Koreaanse Universiteit, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en het National Institute of Standards and Technology, zei de chroomtrijodide (CrI ₃ ) gebruikt in de nieuwe studie "is net als de honingraat van grafeen, maar het is een magnetische honingraat."

In experimenten bij ORNL's Spallation Neutron Source, CrI ₃ monsters werden gebombardeerd met neutronen. Een spectroscopische analyse die tijdens de tests werd uitgevoerd, onthulde de aanwezigheid van collectieve spin-excitaties die magnons worden genoemd. draaien, een intrinsiek kenmerk van alle kwantumobjecten, is een centrale speler in magnetisme, en de magnonen vertegenwoordigen een specifiek soort collectief gedrag van elektronen op de chroomatomen.

"De structuur van deze magnon, hoe de magnetische golf zich in dit materiaal beweegt, lijkt veel op hoe elektronengolven in grafeen bewegen, " zei Dai, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en lid van Rice's Center for Quantum Materials (RCQM).

Zowel grafeen als CrI3 bevatten Dirac-punten, die alleen bestaan ​​in de elektronische bandstructuren van sommige tweedimensionale materialen. Genoemd naar Paul Dirac, die in de jaren twintig hielp om de kwantummechanica te verzoenen met de algemene relativiteitstheorie, Dirac-punten zijn kenmerken waar elektronen met relativistische snelheden bewegen en zich gedragen alsof ze geen massa hebben. Dirac's werk speelde een cruciale rol in het begrip van natuurkundigen van zowel elektronenspin als elektronengedrag in 2D-topologische isolatoren, bizarre materialen die in 2016 de Nobelprijs voor de natuurkunde trokken.

Elektronen kunnen niet door topologische isolatoren stromen, maar kunnen rond hun eendimensionale randen ritsen op "edge-mode" supersnelwegen. De materialen ontlenen hun naam aan een tak van de wiskunde die bekend staat als topologie, die Nobelist Duncan Haldane uit 2016 gebruikte om edge-mode geleiding uit te leggen in een baanbrekend artikel uit 1988 met een 2D-honingraatmodel met een structuur die opmerkelijk veel lijkt op grafeen en CrI ₃ .

"Het Dirac-punt is waar elektronen bewegen net als fotonen, met nul effectieve massa, en als ze langs de topologische randen bewegen, er zal geen weerstand zijn, " zei co-auteur van de studie Jae-Ho Chung, een gasthoogleraar aan Rice en hoogleraar natuurkunde aan de Korea University in Seoul, Zuid-Korea. "Dat is het belangrijke punt voor dissipatieloze spintronische toepassingen."

Spintronica is een groeiende beweging binnen de solid-state elektronicagemeenschap om op spin gebaseerde technologieën te creëren voor berekeningen, communiceren en informatie opslaan en meer. Topologische isolatoren met magnon-randtoestanden zouden een voordeel hebben ten opzichte van die met elektronische randtoestanden omdat de magnetische versies geen warmte zouden produceren, zei Chung.

Strikt gesproken, magnonen zijn geen deeltjes maar quasideeltjes, collectieve excitaties die voortkomen uit het gedrag van een groot aantal andere deeltjes. Een analogie zou zijn "de golf" die menigten soms uitvoeren in sportstadions. Kijkend naar een enkele ventilator, men zou eenvoudig een persoon periodiek zien staan, hun armen opsteken en weer gaan zitten. Alleen door naar de hele menigte te kijken, kan men 'de golf' zien.

"Als je naar slechts één elektronenspin kijkt, het zal lijken alsof het willekeurig trilt, " zei Chung. "Maar volgens de principes van de vastestoffysica, dit schijnbaar willekeurige wiebelen bestaat uit exacte golven, goed gedefinieerde golven. En het maakt niet uit hoeveel golven je hebt, alleen een bepaalde golf zal zich als een foton gedragen. Dat is wat er gebeurt rond het zogenaamde Dirac-punt. Al het andere is slechts een simpele spin-golf. Alleen rond dit Dirac-punt zal de magnon zich als een foton gedragen."

Dai zei dat het bewijs voor topologische spin-excitaties in de CrI ₃ is bijzonder intrigerend omdat het de eerste keer is dat dergelijk bewijs is gezien zonder de toepassing van een extern magnetisch veld.

"Er was in het verleden een krant waarin iets soortgelijks werd waargenomen door een magnetisch veld aan te leggen, maar de onze was de eerste waarneming in het nulveld, " zei hij. "We denken dat dit komt omdat het materiaal een intern magnetisch veld heeft waardoor dit kan gebeuren."

Dai en Chung zeiden dat het interne magnetische veld voortkomt uit elektronen die bewegen met bijna relativistische snelheden in de nabijheid van de protonen in de kernen van de chroom- en jodiumatomen.

"Deze elektronen bewegen zichzelf, maar vanwege de relativiteit, in hun referentiekader, ze hebben niet het gevoel dat ze bewegen, " zei Dai. "Ze staan ​​daar gewoon, en hun omgeving beweegt erg snel."

Chung zei, "Deze beweging voelt de omringende positieve ladingen eigenlijk als een stroom die eromheen beweegt, en dat, gekoppeld aan de spin van het elektron, creëert het magnetische veld."

Dai zei dat de tests bij ORNL betrekking hadden op het koelen van de CrI ₃ monsters tot onder de 60 Kelvin en ze bombarderen met neutronen, die ook magnetische momenten hebben. Neutronen die dicht genoeg bij een elektron in het monster kwamen, konden vervolgens spingolf-excitaties opwekken die met een spectrometer konden worden afgelezen.

"We hebben gemeten hoe de spin-golf zich voortplant, "zei hij. "In wezen, als je deze ene draai draait, hoeveel reageren de andere spins."

Om ervoor te zorgen dat neutronen in voldoende aantallen zouden interageren met de monsters, Rijststudent en hoofdauteur Lebing Chen besteedde drie maanden aan het perfectioneren van een recept voor het produceren van platte vellen CrI ₃ in een oven op hoge temperatuur. De kooktijd voor elk monster was ongeveer 10 dagen, en het beheersen van temperatuurvariaties in de oven bleek van cruciaal belang. Nadat het recept was geperfectioneerd, Chen moest toen nauwgezet stapelen, lijn en lijm 40 lagen van het materiaal aan elkaar. Omdat de zeshoeken in elke laag precies moesten worden uitgelijnd, en de uitlijning kon alleen worden bevestigd met Laue röntgendiffractie, elke kleine aanpassing kan een uur of langer duren.

"We hebben niet bewezen dat er topologisch transport is, " zei Dai. "Omdat we de spectra hebben die we hebben, we kunnen nu zeggen dat het mogelijk is om deze edge-modus te hebben, maar we hebben niet aangetoond dat er een edge-modus is."

De onderzoekers zeiden dat magnon-transportexperimenten nodig zijn om te bewijzen dat de edge-modus bestaat, en ze hopen dat hun bevindingen andere groepen aanmoedigen om die experimenten uit te proberen.