Topologische materialen zijn een hot topic geworden in onderzoek naar kwantummaterialen, omdat ze potentiële toepassingen hebben voor kwantuminformatie en spintronica. Dit komt omdat topologische materialen vreemde elektronische toestanden hebben waarin het momentum van een elektron is verbonden met zijn spinoriëntatie, iets dat op nieuwe manieren kan worden uitgebuit om informatie te coderen en te verzenden. Eén type topologisch materiaal, een magnetisch Weyl-halfmetaal genoemd, trekt belangstelling vanwege zijn potentiële vermogen om te worden gemanipuleerd met magnetische velden.

Omdat deze materialen zo nieuw zijn, echter, het was moeilijk voor wetenschappers om Weyl-halfmetalen te identificeren en te karakteriseren. Een recente theorie- en modelstudie van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) geeft onderzoekers misschien niet alleen een gemakkelijkere manier om Weyl-halfmetalen te vinden, maar ook een manier om ze gemakkelijker te manipuleren voor potentiële spintronische apparaten.

Eerdere pogingen om Weyl-halfmetalen te onderzoeken waren gebaseerd op een gecompliceerde techniek die een röntgen- of laserbron en zorgvuldig voorbereide monsters vereist. Om de waarneming van halfmetalen te vereenvoudigen, In plaats daarvan stelden Argonne-onderzoekers voor om de relatie tussen twee essentiële eigenschappen - elektronische spin en lading - te gebruiken om de aard van de topologische materialen te onthullen en wetenschappers nieuwe manieren te geven om ze te gebruiken.

"We willen weten of er een handtekening in het halfmetaal zit die we kunnen zien als we proberen er een stroom doorheen te laten lopen, iets dat kenmerkend is voor het feit dat het een Weyl-halfmetaal is, ", zegt materiaalwetenschapper Olle Heinonen van Argonne.

Om een ​​laadstroom in het Weyl-halfmetaal te genereren, Heinonen stelde voor om eerst een spinstroom te injecteren op het grensvlak tussen een normaal metaal en het Weyl-halfmetaal. Terwijl de spinstroom een ​​instroom van elektronen met spins in een bepaalde richting inhield, er werden geen netto ladingen geïnjecteerd omdat elektronen met tegengestelde spin de andere kant op werden getrokken.

"Je kunt het zien als twee zwemmers die tegengesteld gaan in een zwembad, één doet de vrije slag en één doet de rugslag, "zei hij. "Er is geen netrichting om te zwemmen, maar er is een netto hoeveelheid freestyle."

Door spins bij voorkeur van het normale metaal naar het Weyl-halfmetaal te verplaatsen, de onderzoekers ontdekten dat het halfmetaal manieren moest vinden om elektronen met bepaalde spins in zijn elektronische structuur te huisvesten. "Je kunt niet zomaar een elektron plakken waar je maar wilt, ', aldus Heinonen.

In plaats daarvan, de onderzoekers ontdekten dat de elektronen de neiging hebben om hun spins te herverdelen naar die plaatsen die beschikbaar en energetisch gunstig zijn. "Je kunt misschien niet al je spin in één bepaalde elektronische staat passen, maar je kunt fractionele hoeveelheden spin in verschillende staten passen die optellen tot hetzelfde bedrag, "Zei Heinonen. "Stel je voor dat je een golf hebt die een rots raakt; je hebt nog steeds dezelfde hoeveelheid water in beweging, alleen in verschillende richtingen."

Wanneer het elektron op deze manier "uit elkaar valt" wanneer het het Weyl-halfmetaal ontmoet, de verschillende resulterende elektronische toestanden reizen met verschillende snelheden, het genereren van een laadstroom. Afhankelijk van de richting waarin deze stroom wordt gemeten, zeg, van boven naar beneden of van links naar rechts - wetenschappers zagen verschillende resultaten.

"Hoe het elektron uiteenvalt, is op een zeer gevoelige manier gerelateerd aan de relaties tussen energie, momentum en spin in het magnetische Weyl-halfmetaal, Heinonen zei. "Als gevolg daarvan, hoe de richting van de laadstroom verandert is direct gerelateerd aan de eigenschappen van het Weyl-halfmetaal, zodat u de topologische kenmerken ervan kunt bepalen."

Het zien van de anisotropie, of het verschil in laadstroom gemeten in verschillende richtingen in het Weyl-halfmetaal, geeft onderzoekers twee stukjes informatie. Eerst, het onthult de Weyl-aard van het materiaal, maar misschien nog belangrijker, het stelt onderzoekers in staat om de eigenschappen van het materiaal af te stemmen. "De respons die we zien is buitengewoon interessant omdat het een Wey-lsemimetaal is, en omdat het deze interessante anisotrope respons heeft, we kunnen dat waarschijnlijk op sommige apparaten uitbuiten, "Zei Heinonen. "We lopen een beetje voorop wat betreft mensen die veel Weyl-halfmetalen maken, maar dit geeft ons een goedkope manier om te testen en te experimenteren met een soort materiaal dat waarschijnlijk populairder zal worden."

Een paper gebaseerd op de studie, "Spin-to-charge conversie in magnetische Weyl halfmetalen, " verscheen in het nummer van 1 november van Fysieke beoordelingsbrieven . Ivar Martin van Argonne, Shulei Zhang, nu een assistent-hoogleraar natuurkunde aan de Case Western Reserve University, en Anton Burkov van de Universiteit van Waterloo, ook meegewerkt aan het onderzoek.