Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Princeton University heeft een nieuwe klasse magneet ontdekt die nieuwe kwantumeffecten vertoont die zich uitstrekken tot kamertemperatuur.

De onderzoekers ontdekten een gekwantiseerde topologische fase in een ongerepte magneet. Hun bevindingen bieden inzicht in een 30 jaar oude theorie over hoe elektronen spontaan kwantificeren en demonstreren een proof-of-principle-methode om nieuwe topologische magneten te ontdekken. Quantummagneten zijn veelbelovende platforms voor dissipatieloze stroom, hoge opslagcapaciteit en toekomstige groene technologieën. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur deze week.

De wortels van de ontdekking liggen in de werking van het kwantum Hall-effect - een vorm van topologisch effect dat het onderwerp was van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1985. Dit was de eerste keer dat een tak van theoretische wiskunde, topologie genoemd, zou fundamenteel veranderen hoe we de materie die de wereld om ons heen vormt, beschrijven en classificeren. Sindsdien, topologische fasen zijn intensief bestudeerd in wetenschap en techniek. Er zijn veel nieuwe klassen van kwantummaterialen met topologische elektronische structuren gevonden, inclusief topologische isolatoren en Weyl-halfmetalen. Echter, terwijl sommige van de meest opwindende theoretische ideeën magnetisme vereisen, de meeste onderzochte materialen zijn niet-magnetisch en vertonen geen kwantisering, veel prikkelende mogelijkheden onvervuld laten.

"De ontdekking van een magnetisch topologisch materiaal met gekwantiseerd gedrag is een grote stap voorwaarts die nieuwe horizonten zou kunnen ontsluiten bij het benutten van kwantumtopologie voor toekomstige fundamentele fysica en apparaatonderzoek van de volgende generatie", aldus M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, die het onderzoeksteam leidde.

Terwijl experimentele ontdekkingen snel werden gedaan, theoretische natuurkunde blonk uit in het ontwikkelen van ideeën die leidden tot nieuwe metingen. Belangrijke theoretische concepten over 2D-topologische isolatoren werden in 1988 naar voren gebracht door F. Duncan Haldane, de Thomas D. Jones hoogleraar wiskundige natuurkunde en de Sherman Fairchild University hoogleraar natuurkunde aan Princeton, die in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving voor theoretische ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie. Daaropvolgende theoretische ontwikkelingen toonden aan dat topologisch isolator-hostend magnetisme in een speciale atomaire opstelling die bekend staat als een kagome-rooster enkele van de meest bizarre kwantumeffecten kan bevatten.

Hasan en zijn team zijn al tien jaar op zoek naar een topologische magnetische kwantumtoestand die ook bij kamertemperatuur kan werken sinds hun ontdekking van de eerste voorbeelden van driedimensionale topologische isolatoren. Onlangs, ze vonden een materiaaloplossing voor het vermoeden van Haldane in een kagome-roostermagneet die bij kamertemperatuur kan werken, die ook de felbegeerde kwantisering vertoont. "Het Kagome-rooster kan worden ontworpen om relativistische bandovergangen en sterke elektron-elektron-interacties te bezitten. Beide zijn essentieel voor nieuw magnetisme. Daarom is we realiseerden ons dat kagome-magneten een veelbelovend systeem zijn om naar topologische magneetfasen te zoeken, omdat ze lijken op de topologische isolatoren die we eerder hebben bestudeerd, ' zei Hasan.

Voor zo lang, direct materiaal en experimentele visualisatie van dit fenomeen is ongrijpbaar gebleven. Het team ontdekte dat de meeste kagome-magneten te moeilijk te synthetiseren waren, het magnetisme werd niet voldoende begrepen, geen beslissende experimentele handtekeningen van de topologie of kwantisatie konden worden waargenomen, of ze werken alleen bij zeer lage temperaturen.

"Een geschikt ontwerp van atomaire chemie en magnetische structuur gekoppeld aan de theorie van de eerste beginselen is de cruciale stap om de speculatieve voorspelling van Duncan Haldane realistisch te maken in een omgeving met hoge temperaturen, "zei Hasan. "Er zijn honderden kagome-magneten, en we hebben beide intuïtie nodig, beleven, materiaalspecifieke berekeningen, en intense experimentele inspanningen om uiteindelijk het juiste materiaal voor diepgaande verkenning te vinden. En dat bracht ons op een reis van tien jaar."

Door meerdere jaren van intensief onderzoek naar verschillende families van topologische magneten (Nature 562, 91 (2018); Natuurfysio 15, 443 (2019), Fys. ds. Lett. 123, 196604 (2019), Natuur Gem. 11, 559 (2020), Fys. ds. Lett. 125, 046401 (2020)), het team realiseerde zich geleidelijk dat een materiaal gemaakt van de elementen terbium, mangaan en tin (TbMn6Sn6) heeft de ideale kristalstructuur met chemisch ongerepte, kwantummechanische eigenschappen en ruimtelijk gescheiden Kagome-roosterlagen. Bovendien, het beschikt op unieke wijze over een sterke out-of-plane magnetisatie. Met deze ideale kagome-magneet die met succes is gesynthetiseerd op het grote eenkristalniveau door medewerkers van Shuang Jia's groep aan de Universiteit van Peking, Hasans groep begon met systematische state-of-the-art metingen om te controleren of de kristallen topologisch zijn en, belangrijker, voorzien van de gewenste exotische kwantummagnetische toestand.

Het Princeton-team van onderzoekers gebruikte een geavanceerde techniek die bekend staat als scanning tunneling microscopie, die in staat is om de elektronische en spingolffuncties van een materiaal op subatomaire schaal te onderzoeken met een energieresolutie van minder dan millivolt. Onder deze verfijnde omstandigheden, de onderzoekers identificeerden de magnetische kagome-roosteratomen in het kristal, bevindingen die verder werden bevestigd door state-of-the-art hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie met momentum resolutie.

"De eerste verrassing was dat het magnetische kagome-rooster in dit materiaal superschoon is in onze scanning tunneling microscopie, " zei Songtian Sonia Zhang, een co-auteur van de studie die haar Ph.D. eerder dit jaar in Princeton. "De experimentele visualisatie van zo'n defectvrij magnetisch kagome-rooster biedt een ongekende kans om de intrinsieke topologische kwantumeigenschappen ervan te onderzoeken."

Het echte magische moment was toen de onderzoekers een magnetisch veld aanzetten. Ze ontdekten dat de elektronische toestanden van het kagome-rooster dramatisch moduleren, het vormen van gekwantiseerde energieniveaus op een manier die consistent is met de Dirac-topologie. Door het magnetische veld geleidelijk te verhogen tot 9 Tesla, dat honderdduizenden keren hoger is dan het aardmagnetisch veld, ze brachten systematisch de volledige kwantisering van deze magneet in kaart. "Het is uiterst zeldzaam - er is er nog geen gevonden - om een ​​topologisch magnetisch systeem te vinden met het gekwantiseerde diagram. Het vereist een bijna defectvrij magnetisch materiaalontwerp, verfijnde theorie en geavanceerde spectroscopische metingen", aldus Nana Shumiya, een afgestudeerde student en co-auteur van de studie.

Het gekwantiseerde diagram dat het team heeft gemeten, geeft nauwkeurige informatie waaruit blijkt dat de elektronische fase overeenkomt met een variant van het Haldane-model. Het bevestigt dat het kristal een spin-gepolariseerde Dirac-dispersie heeft met een grote Chern-gap, zoals verwacht door de theorie voor topologische magneten. Echter, er ontbrak nog een stukje van de puzzel. "Als dit echt een Chern-kloof is, vervolgens gebaseerd op het fundamentele topologische bulk-grensprincipe, we zouden chirale toestanden (eenrichtingsverkeer) aan de rand van het kristal moeten observeren, ' zei Hasan.

Het laatste stukje viel op zijn plaats toen de onderzoekers de grens of de rand van de magneet aftasten. Ze vonden alleen een duidelijke signatuur van een randtoestand binnen de Chern-energiekloof. Voortplantend langs de zijkant van het kristal zonder duidelijke verstrooiing (wat zijn dissipatieloze karakter onthult), de toestand werd bevestigd als de chirale topologische randtoestand. Beeldvorming van deze toestand was ongekend in een eerdere studie van topologische magneten.

De onderzoekers gebruikten verder andere hulpmiddelen om hun bevindingen van de Chern gapped Dirac-fermionen te controleren en opnieuw te bevestigen, inclusief elektrische transportmetingen van afwijkende Hall-scaling, hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie van de Dirac-dispersie in de impulsruimte, en eerste-principe berekeningen van de topologische orde in de materiële familie. De gegevens leverden een compleet spectrum van onderling gekoppeld bewijs dat allemaal wees op de realisatie van een kwantumlimiet Chern-fase in deze kagome-magneet. "Alle stukjes passen in elkaar in een leerboekdemonstratie van de fysica van magnetische Dirac-fermionen met Chern-gaps, " zei Tyler A. Cochran, een afgestudeerde student en co-eerste auteur van de studie.

Nu verschuift de theoretische en experimentele focus van de groep naar de tientallen verbindingen met vergelijkbare structuren als TbMn6Sn6 die kagome-roosters herbergen met een verscheidenheid aan magnetische structuren, elk met zijn individuele kwantumtopologie. "Onze experimentele visualisatie van de kwantumlimiet Chern-fase demonstreert een proof-of-principle-methodologie om nieuwe topologische magneten te ontdekken, " zei Jia-Xin Yin, een senior postdoctoraal onderzoeker en een andere co-eerste auteur van de studie.

"Dit is als het ontdekken van water in een exoplaneet - het opent een nieuwe grens van topologisch onderzoek naar kwantummaterie waar ons laboratorium in Princeton voor is geoptimaliseerd, ' zei Hasan.