bepaalde materialen, zoals koper, stroom goed geleiden. Andere materialen, zoals glas, Niet doen. Een bepaald soort materiaal, een topologische isolator genoemd, werkt gedeeltelijk als de ene en gedeeltelijk als de andere - het gedraagt ​​​​zich als een geleider aan het oppervlak en als een isolator aan de binnenkant.

Vanwege de unieke elektronische eigenschappen van topologische isolatoren en hun potentiële gebruik in spintronische apparaten en zelfs mogelijk als transistors voor kwantumcomputers, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zijn geïnteresseerd in het onderzoeken van de speciale relatie tussen twee eigenschappen van de geleidende oppervlakte-elektronen in deze materialen.

In topologische isolatoren, de spin en het momentum van elke oppervlakte-elektronen zijn zo nauw met elkaar verbonden dat, in wetenschappelijk taalgebruik, ze zitten aan elkaar vast. "Spin-momentum locking is als het hebben van een basketbal die in een specifieke richting moet draaien, afhankelijk van zijn baan over het veld, " zei materiaalwetenschapper Olle Heinonen van Argonne. "Omdat een elektron ook een magnetisch moment draagt, je kunt spin-impulsvergrendeling gebruiken om magnetische systemen zeer efficiënt te manipuleren."

De elektronische structuur van topologische isolatoren, inclusief de bijzonderheden van spin-momentum vergrendeling, kan worden weerspiegeld in het transportgedrag van elektronen in de materialen. Om het nieuwe gedrag van elektronen in de topologische materialen te onderzoeken, Wetenschappers van Argonne werkten samen met wetenschappers van de National University of Singapore, die een transportexperiment uitvoerde dat een nieuw perspectief bood op de topologisch beschermde elektronische structuur.

Heinonen en voormalig postdoctoraal onderzoeker Shulei Zhang van Argonne beschreven hoe in het transportexperiment een magnetisch veld toegepast in het vlak van een dunne film van een topologische isolator een spanning kan creëren in de richting loodrecht op de aangelegde elektrische stroom - een fenomeen dat een niet-lineaire vlakke Hall wordt genoemd effect. Door de richting en intensiteit van het magnetische veld te variëren, de onderzoekers van Argonne en hun collega's konden uit de resulterende weerstandsinformatie afleiden hoe de elektronen zijn verdeeld in termen van hun momentum en spin.

"Als je weet hoe magnetische velden die in verschillende richtingen worden toegepast, de gemeten niet-lineaire Hall-stroom zouden beïnvloeden, je kunt ons theoretisch model gebruiken om in kaart te brengen hoe de impulsen en spins van de elektronen zijn verdeeld, "Zhang zei. "Toen, vanwege de manier waarop we nauwkeuriger kunnen zien hoe de elektromagnetische velden interageren met de oppervlaktegeleidingselektronen, we kunnen veel meer gedetailleerde informatie krijgen over de elektronische oppervlaktestructuur van topologische isolatoren."

Het verband tussen het niet-lineaire vlakke Hall-effect en de topologische oppervlaktetoestanden met spin-impulsvergrendeling is, volgens Heinonen, een "macroscopisch-microscopische relatie."

"Het geeft ons echt een kijkje onder de motorkap, " hij zei.

Een paper gebaseerd op de studie, "Niet-lineair vlak hall-effect, " verscheen in de online editie van 1 juli van Fysieke beoordelingsbrieven .