Een methode om een ​​nieuwe klasse van topologische materialen te observeren, Weyl-halfmetalen genoemd, is ontwikkeld door onderzoekers van Penn State, MIT, Tohoku-universiteit, Japan en het Indonesische Instituut voor Wetenschappen. De ongebruikelijke elektronische eigenschappen van het materiaal kunnen nuttig zijn in toekomstige elektronica en in de kwantumfysica.

"Weyl-halfmetalen zijn interessant omdat hun elektronentransport ongebruikelijk gedrag vertoont, " zegt Shengxi Huang, universitair docent elektrotechniek, Penn State. "Bijvoorbeeld, ze kunnen negatieve magnetoweerstand vertonen, wat betekent dat wanneer je een magnetisch veld aanbrengt, de weerstand daalt. Met veel conventionele materialen, het verhoogt."

In Weyl-halfmetalen, de elektronische bandstructuur is anders dan normaal. De elektronen hebben chiraliteit, wat "handigheid" betekent. De chiraliteit is verbonden met de spin en de reisrichting van de elektronen. Elektronen met linker chiraliteit reizen in de tegenovergestelde richting van hun spin, terwijl elektronen met de juiste chiraliteit in dezelfde richting van hun spin reizen.

"Normaal gesproken, een materiaal zou een soort van behoud hebben, bijvoorbeeld, behoud van ladingsneutraliteit - wat betekent dat als u een bepaald aantal negatieve ladingen zou hebben, u hetzelfde aantal positieve ladingen zou hebben, " volgens Kunyan Zhang, Huang's afgestudeerde student en hoofdauteur op een paper in het tijdschrift Fysieke beoordeling B . "Evenzo, je zou normaal ook hetzelfde aantal rechtshandige elektronen hebben als linkshandige. Maar dit is niet het geval in dit materiaal en dat lijkt nieuwe elektronentransporteigenschappen te stimuleren."

Het team besloot licht te gebruiken om het eigenaardige gedrag van de elektronen te bestuderen, omdat het eenvoudig te gebruiken is en gemakkelijker dan het bouwen van geavanceerde apparaten. Het licht interageert met de elektronen en ook met het rooster, waardoor de atomen gaan trillen, fononen maken. De fononen en elektronen werken op elkaar in en de Raman-signalen - het verschil tussen de laser en het verstrooide licht - kunnen het ongewone gedrag van de elektronen laten zien.

Het belangrijkste resultaat van het werk van de onderzoekers is om aan te tonen dat de symmetrie van het materiaal is verbroken. In principe, dit kristallijne materiaal moet een viervoudige symmetrie hebben, wat betekent dat wanneer het kristal 90 graden wordt gedraaid, de eigenschap precies hetzelfde is. Echter, in dit onderzoek, als het Weyl-halfmetaal 90 graden is gedraaid, er is een afwijking van symmetrie.

In aanvulling, dit materiaal zou drie pieken in het Raman-spectrum moeten vertonen, maar in één 633-nanometer-rood-lichtexcitatie ontbreekt één piek. Dat is eigenaardig, volgens de onderzoekers. De verklaring ligt in de bandstructuur van Weyl-halfmetaal. Wanneer elektronen interageren met licht, ze absorberen genoeg energie om naar een hogere staat te springen. In Weyl-halfmetalen, er zijn veel hogere staten die heel dicht bij elkaar liggen. De interactie tussen de elektronen die naar twee aangrenzende banden springen, kan de symmetrie doorbreken.

In dit soort materiaal, de elektronen kunnen onder bepaalde omstandigheden zonder terugverstrooiing stromen, waardoor het een goed platform is voor toekomstige elektronica. Er is ook een verband met quantum computing, omdat een materiaal dat niet verstrooit het potentieel heeft om in kwantumqubits te worden gebruikt.

"We bieden de gemeenschap een eenvoudige methode om het elektronische gedrag van dit materiaal te begrijpen, ' concludeerde Huang. 'En deze methode kan worden gegeneraliseerd.'

Volgende, het team zal proberen fonon/elektron-interacties te bestuderen bij een verlaagde temperatuur, onder 10 Kelvin, waar het gedrag heel anders zou moeten zijn.