Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van Princeton University heeft ontdekt dat een magnetisch materiaal bij kamertemperatuur elektronen in staat stelt zich contra-intuïtief te gedragen, collectief optreden in plaats van als individuen. Hun collectieve gedrag bootst massaloze deeltjes en antideeltjes na die op een onverwachte manier naast elkaar bestaan ​​en samen een exotische lusachtige structuur vormen.

De sleutel tot dit gedrag is topologie - een tak van de wiskunde waarvan al bekend is dat het een krachtige rol speelt bij het dicteren van het gedrag van elektronen in kristallen. Topologische materialen kunnen massaloze deeltjes bevatten in de vorm van licht, of fotonen. In een topologisch kristal, de elektronen gedragen zich nog vaak als vertraagd licht, in tegenstelling tot licht, elektrische lading dragen.

Topologie is zelden waargenomen in magnetische materialen, en de vondst van een magnetisch topologisch materiaal bij kamertemperatuur is een stap voorwaarts die nieuwe benaderingen zou kunnen ontsluiten voor het benutten van topologische materialen voor toekomstige technologische toepassingen.

"Vóór dit werk, bewijs voor de topologische eigenschappen van magneten in drie dimensies was niet overtuigend. Deze nieuwe resultaten geven ons direct en beslissend bewijs voor dit fenomeen op microscopisch niveau, " zei M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan Princeton, die het onderzoek leidde. "Dit werk opent een nieuw continent voor verkenning in topologische magneten."

Hasan en zijn team hebben meer dan een decennium besteed aan het bestuderen van kandidaat-materialen in de zoektocht naar een topologische magnetische kwantumtoestand.

"De fysica van bulkmagneten wordt al tientallen jaren begrepen. Een natuurlijke vraag voor ons is:kunnen magnetische en topologische eigenschappen samen iets nieuws in drie dimensies produceren?" zei Hasan.

Er bestaan ​​duizenden magnetische materialen, maar de meeste hadden niet de juiste eigenschappen, vonden de onderzoekers. De magneten waren te moeilijk te synthetiseren, het magnetisme werd niet voldoende begrepen, de magnetische structuur was te ingewikkeld om theoretisch te modelleren, of er konden geen beslissende experimentele handtekeningen van de topologie worden waargenomen.

Toen kwam er een gelukkig keerpunt.

"Na het bestuderen van veel magnetische materialen, we voerden een meting uit op een klasse van magneten op kamertemperatuur en zagen onverwacht handtekeningen van massaloze elektronen, " zei Ilya Belopolski, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Hasan en co-eerste auteur van de studie. "Dat zette ons op het pad naar de ontdekking van de eerste driedimensionale topologische magnetische fase."

Het exotische magnetische kristal bestaat uit kobalt, mangaan en gallium, ordelijk gerangschikt, herhalend driedimensionaal patroon. Om de topologische toestand van het materiaal te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten een techniek die hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie wordt genoemd. In dit experiment, licht met hoge intensiteit schijnt op het monster, waardoor elektronen van het oppervlak worden geëmitteerd. Deze uitgezonden elektronen kunnen dan worden gemeten, informatie verstrekken over de manier waarop de elektronen zich gedroegen toen ze zich in het kristal bevonden.

"Het is een extreem krachtige experimentele techniek, waardoor we in dit geval direct konden waarnemen dat de elektronen in deze magneet zich gedragen alsof ze massaloos zijn. Deze massaloze elektronen staan ​​bekend als Weyl-fermionen, " zei Daniël Sánchez, een gastonderzoeker van Princeton en Ph.D. student aan de Universiteit van Kopenhagen, en een andere co-eerste auteur van de studie.

Een belangrijk inzicht kwam toen de onderzoekers de Weyl-fermionen nauwkeuriger bestudeerden en zich realiseerden dat de magneet een oneindige reeks verschillende massaloze elektronen herbergde die de vorm van een lus aannemen, met sommige elektronen die eigenschappen van deeltjes nabootsen en sommige van antideeltjes. Dit collectieve kwantumgedrag van de elektronen wordt een magnetische topologische Weyl-fermionlus genoemd.

"Het is echt een exotisch en nieuw systeem, " zei Guoqing Chang, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Hasan en co-eerste auteur van de studie. "Het collectieve elektronengedrag in deze deeltjes is anders dan alles wat ons bekend is in onze dagelijkse ervaring - of zelfs in de ervaring van deeltjesfysici die subatomaire deeltjes bestuderen. Hier hebben we te maken met opkomende deeltjes die gehoorzamen aan verschillende natuurwetten."

Het blijkt dat een belangrijke aanjager van deze eigenschappen een wiskundige grootheid is die de oneindige reeks massaloze elektronen beschrijft. De onderzoekers waren in staat om de rol van topologie vast te stellen door subtiele veranderingen waar te nemen in het verschil in het gedrag van elektronen die op het oppervlak van het monster en dieper in het binnenste ervan leven. De techniek om topologische grootheden aan te tonen door middel van de contrasten van oppervlakte- en bulkeigenschappen werd ontwikkeld door de groep van Hasan en werd gebruikt om Weyl-fermionen te detecteren, een bevinding gepubliceerd in 2015. Het team gebruikte onlangs een analoge benadering om een ​​topologisch chiraal kristal te ontdekken, werk gepubliceerd in het tijdschrift Natuur eerder dit jaar werd dat ook geleid door de groep van Hasan in Princeton en omvatte Daniel Sanchez, Guoqing Chang en Ilya Belopolski als toonaangevende auteurs.

theoretische voorspellingen

De relatie tussen de topologie en magnetische kwantumlusdeeltjes werd onderzocht in de theoretische voorspellingen van de Hasan-groep, gepubliceerd in oktober 2017 in Fysieke beoordelingsbrieven . Echter, de theoretische interesse van de groep in topologische magneten gaat veel eerder terug tot theoretische voorspellingen gepubliceerd in Natuurmaterialen in 2010. Deze theoretische werken van de groep van Hasan werden gefinancierd door het kantoor van Basic Energy Sciences van het Amerikaanse Department of Energy.

"Dit werk vertegenwoordigt het hoogtepunt van ongeveer een decennium van streven naar het realiseren van een topologische magnetische kwantumfase in drie dimensies, ' zei Hasan.

in 2016, Duncan Haldane, Princeton's Sherman Fairchild University hoogleraar natuurkunde, won de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor zijn theorieën die de eigenschappen van een- en tweedimensionale topologische materialen voorspellen.

Een belangrijk aspect van het resultaat is dat het materiaal zijn magnetisme behoudt tot 400 graden Celsius - ruim boven kamertemperatuur - wat voldoet aan een belangrijke vereiste voor technologische toepassingen in de echte wereld.

"Vóór ons werk, topologische magnetische eigenschappen werden meestal waargenomen wanneer de dunne films van materialen extreem koud waren - een fractie van een graad boven het absolute nulpunt - en er was gespecialiseerde apparatuur nodig om de noodzakelijke temperaturen te bereiken. Zelfs een kleine hoeveelheid warmte zou de topologische magnetische toestand thermisch destabiliseren, " zei Hasan. "De hier bestudeerde kwantummagneet vertoont topologische eigenschappen bij kamertemperatuur."

Een topologische magneet in drie dimensies onthult zijn meest exotische kenmerken alleen aan het oppervlak - elektronengolffuncties nemen de vorm aan van drumvellen. Dit is ongekend in eerder bekende magneten en vormt de veelbetekenende handtekening van een topologische magneet. De onderzoekers observeerden dergelijke drumvelvormige elektronische toestanden in hun gegevens, het cruciale beslissende bewijs leveren dat het een nieuwe toestand van de materie is.

Patrick Lee, de William &Emma Rogers hoogleraar natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology, die niet bij het onderzoek betrokken was, commentaar op het belang van de bevinding. "De Princeton-groep loopt al lang voorop bij het ontdekken van nieuwe materialen met topologische eigenschappen, " zei Lee. "Door dit werk uit te breiden tot ferromagnetische kamertemperatuur en het bestaan ​​van een nieuw soort drumveloppervlaktetoestanden aan te tonen, dit werk opent een nieuw domein voor verdere ontdekkingen."

Om hun bevindingen te begrijpen, de onderzoekers bestudeerden de rangschikking van atomen op het oppervlak van het materiaal met behulp van verschillende technieken, zoals het controleren op de juiste soort symmetrie met behulp van de scanning tunneling microscoop in Hasan's Laboratory for Topological Quantum Matter en Advanced Spectroscopy in de kelder van Princeton's Jadwin Hall.

Een belangrijke bijdrage aan de bevinding was de geavanceerde spectroscopie-apparatuur die werd gebruikt om het experiment uit te voeren. De onderzoekers gebruikten een speciale foto-emissiespectroscopiebundellijn die onlangs is gebouwd bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, onderdeel van het SLAC National Accelerator Laboratory in Menlo Park, Californië.

"Het licht dat wordt gebruikt in het SLAC-foto-emissie-experiment is extreem helder en gefocust tot op een klein plekje met een diameter van slechts enkele tientallen micrometers, " zei Belopolski. "Dit was belangrijk voor de studie."

Het werk werd uitgevoerd in nauwe samenwerking met de groep van professor Hsin Lin aan het Institute of Physics, Academia Sinica in Taiwan, en professor Claudia Felser aan het Max Planck Instituut voor de chemische fysica van vaste stoffen in Dresden, Duitsland, waaronder postdoctoraal onderzoeker Kaustuv Manna als co-eerste auteur.

Gedreven door de prikkelende mogelijkheid van toepassingen, de onderzoekers gingen nog een stap verder en pasten elektromagnetische velden toe op de topologische magneet om te zien hoe deze zou reageren. Ze observeerden een exotische elektromagnetische respons tot kamertemperatuur, die direct terug te voeren zijn op de kwantumlus-elektronen.

"We hebben veel topologische materialen, maar onder hen was het moeilijk om een ​​duidelijke elektromagnetische respons te tonen die voortkwam uit de topologie, " voegde Hasan eraan toe. "Hier hebben we dat kunnen doen. Het zet een heel nieuw onderzoeksveld op voor topologische magneten."

De studie, "Ontdekking van topologische Weyl-fermionlijnen en oppervlaktetoestanden van het drumvel in een magneet op kamertemperatuur, " door Ilya Belopolski, Kaustuv Manna, Daniel S. Sanchez, Guoqing Chang, Benedict Ernst, Jiaxin Yin, Songtian S. Zhang, Tyler Cochran, Nana Shumiya, Hao Zheng, Bahadur Singh, Guang Bian, Daniël Multer, Maksim Litskevitsj, Xiaoting Zhou, Shin-Ming Huang, Baokai Wang, Tay Rong Chang, Su-Yang Xu, Arun Bansil, Claudia Felser, Hsin Lin en Zahid Hasan verschijnen in het nummer van 19 september van Wetenschap .