Stel je een wereld voor waarin elektriciteit zonder verlies door het net kan stromen of waar alle gegevens ter wereld in de cloud kunnen worden opgeslagen zonder dat er elektriciteitscentrales nodig zijn. Dit lijkt onvoorstelbaar, maar een pad naar zo'n droom is geopend met de ontdekking van een nieuwe familie van materialen met magische eigenschappen.

Deze materialen - magnetische Weyl-halfmetalen - zijn van nature kwantum, maar overbruggen de twee werelden van topologie en spintronica. Topologische materialen vertonen vreemde eigenschappen, waaronder supersnelle elektronen die reizen zonder energieverlies. Aan de andere kant zijn magnetische materialen essentieel voor ons dagelijks leven, van magneten voor elektrische auto's tot spintronische apparaten in elke harde schijf in computers en in de cloud. Het concept van een magnetisch Weyl-halfmetaal (WSM) hing in de lucht, maar een echt materiaal is nu pas gerealiseerd door het team van Claudia Felser, Directeur bij de MPI CPfS, Dresden, in twee zeer verschillende verbindingen-Co ₂ MnGa en Co ₃ sn ₂ S ₂ .

Om deze buitengewone materialen te vinden, Het team van Felser scande de materialendatabase en kwam met een lijst met veelbelovende kandidaten. Het bewijs dat deze materialen magnetische WSM's zijn, werd verkregen via elektronische structuuronderzoeken van Co ₂ MnGa en Co ₃ sn ₂ S ₂ . Wetenschappers van de groep van Claudia Felser bij de MPI CPfS en het team van Stuart Parkin bij de MPI van Microstructure Physics, Halle, in samenwerking met het team van M. Zahid Hasan uit Princeton, Yulin Chen's team van de Universiteit van Oxford, en het team van Haim Beidenkopf van het Weizmann Institute of Science, hebben het bestaan ​​van magnetische Weyl-fermionen in deze twee materialen experimenteel bevestigd in onderzoeken die werden gepubliceerd in drie artikelen in Wetenschap vandaag.

Voor de allereerste keer, met behulp van hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) en scanning tunneling microscope (STM) experimenten, time-reversal symmetrie gebroken WSM toestanden werden waargenomen, mogelijk gemaakt door de hoge kwaliteit eenkristallen gekweekt op de MPI CPfS. "De ontdekking van magnetische WSM's is een grote stap in de richting van de realisatie van kwantum- en spintronische effecten bij hoge temperatuur. Deze twee materialen, die lid zijn van de zeer afstembare families Heusler en Shandite, respectievelijk, zijn ideale platforms voor verschillende toekomstige toepassingen in spintronische en magneto-optische technologieën voor gegevensopslag, en informatieverwerking, evenals toepassingen in energieconversiesystemen, " zegt Stuart Parkin, de algemeen directeur van het Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle.

De magnetische topologische toestanden in Co ₂ MnGa en Co ₃ sn ₂ S ₂ een cruciale rol spelen bij het ontstaan ​​van de waargenomen afwijkende kwantumtransporteffecten, vanwege de sterke Berry-kromming in verband met hun topologische toestanden. Met Weyl-knooplijn- en knooppuntbandstructuren, Co ₂ MnGa en Co ₃ sn ₂ S ₂ zijn de enige twee momenteel bekende voorbeelden van materialen die zowel een grote afwijkende Hall-geleiding als een afwijkende Hall-hoek bevatten. "Onze materialen hebben de natuurlijke voordelen van hoge temperatuur, duidelijke topologische bandstructuur, lage ladingsdragerdichtheid, en sterke elektromagnetische respons. Het ontwerp van een materiaal dat een kwantum abnormaal Hall-effect (QAHE) bij hoge temperatuur vertoont via kwantumopsluiting van een magnetische WSM, en de integratie ervan in kwantumapparaten is onze volgende stap, ' zegt Claudia Felser.

De ontdekking van magnetische WSM's is een grote stap naar de realisatie van een QAHE op kamertemperatuur en vormt de basis voor nieuwe energieconversieconcepten. "Een Quantum Anomalous Hall-effect maakt dissipatieloos transport mogelijk via chirale randtoestanden die van nature spin-gepolariseerd zijn." realiseerde Yan Sun onmiddellijk. Realisatie van de QAHE bij kamertemperatuur zou revolutionair zijn door de beperkingen van veel van de huidige op data gebaseerde technologieën te overwinnen, die worden beïnvloed door groot door elektronenverstrooiing geïnduceerd vermogensverlies. Dit zou de weg vrijmaken voor een nieuwe generatie energiezuinige kwantumelektronische en spintronische apparaten.