De velden van de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalwetenschap zijn nauw met elkaar verbonden omdat er vaak nieuwe fysica wordt ontdekt in materialen met speciale rangschikkingen van atomen. Kristallen, die zich herhalende eenheden van atomen in de ruimte hebben, kan speciale patronen hebben die resulteren in exotische fysieke eigenschappen. Bijzonder opwindend zijn materialen die meerdere soorten exotische eigenschappen bevatten, omdat ze wetenschappers de mogelijkheid bieden om te bestuderen hoe die eigenschappen met elkaar omgaan en elkaar beïnvloeden. De combinaties kunnen aanleiding geven tot onverwachte fenomenen en jaren van fundamenteel en technologisch onderzoek voeden.

In een nieuwe studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang deze week, een internationaal team van wetenschappers uit de VS, Colombia, Tsjechië, Engeland, en geleid door Dr. Mazhar N. Ali aan het Max Planck Institute of Microstructure Physics in Duitsland, heeft aangetoond dat een nieuw materiaal, KV ₃ sb ₅ , heeft een nooit eerder vertoonde combinatie van eigenschappen die resulteert in een van de grootste abnormale Hall-effecten (AHE's) die ooit zijn waargenomen; 15, 500 siemens per centimeter bij 2 Kelvin.

Ontdekt in het laboratorium van co-auteur Prof. Tyrel McQueen aan de Johns Hopkins University, KV ₃ sb ₅ combineert vier eigenschappen in één materiaal:Dirac-fysica, metaal gefrustreerd magnetisme, 2-D exfoliërbaarheid (zoals grafeen), en chemische stabiliteit.

Dirac natuurkunde, in deze context, heeft betrekking op het feit dat de elektronen in KV ₃ sb ₅ zijn niet alleen je normale gewone elektronen; ze bewegen extreem snel met een zeer lage effectieve massa. Dit betekent dat ze zich 'lichtachtig' gedragen; hun snelheden worden vergelijkbaar met de lichtsnelheid en ze gedragen zich alsof ze slechts een klein deel van de massa hebben die ze zouden moeten hebben. Dit resulteert erin dat het materiaal zeer metallisch is en ongeveer 15 jaar geleden voor het eerst in grafeen werd getoond.

Het 'gefrustreerde magnetisme' ontstaat wanneer de magnetische momenten in een materiaal (stel je voor kleine staafmagneten die elkaar proberen te draaien en van noord naar zuid op één lijn liggen wanneer je ze samenbrengt) in speciale geometrieën zijn gerangschikt, zoals driehoekige netten. Dit scenario kan het moeilijk maken voor de staafmagneten om zo op één lijn te komen dat ze elkaar allemaal opheffen en stabiel zijn. Materialen die deze eigenschap vertonen zijn zeldzaam, vooral metalen. De meeste gefrustreerde magneetmaterialen zijn elektrische isolatoren, wat betekent dat hun elektronen onbeweeglijk zijn. "Metalen gefrustreerde magneten zijn al tientallen jaren zeer gewild. Er is voorspeld dat ze onconventionele supergeleiding bevatten, Majorana-fermionen, bruikbaar zijn voor kwantumcomputers, en meer, " merkte Dr. Ali op.

structureel, KV ₃ sb ₅ heeft een 2D, gelaagde structuur waarbij driehoekige vanadium- en antimoonlagen losjes op kaliumlagen worden gestapeld. Hierdoor konden de auteurs eenvoudig tape gebruiken om een ​​paar lagen (ook wel vlokken) tegelijk af te pellen. "Dit was erg belangrijk omdat het ons in staat stelde om elektronenstraallithografie te gebruiken (zoals fotolithografie die wordt gebruikt om computerchips te maken, maar met behulp van elektronen in plaats van fotonen) om kleine apparaten uit de vlokken te maken en eigenschappen te meten die mensen niet gemakkelijk in bulk kunnen meten." merkte hoofdauteur Shuo-Ying Yang op, van het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica. "We waren verheugd om te ontdekken dat de vlokken vrij stabiel waren voor het fabricageproces, waardoor het relatief eenvoudig is om met veel eigenschappen te werken en te verkennen".

Gewapend met deze combinatie van eigenschappen, het team koos er eerst voor om te zoeken naar een abnormaal Hall-effect (AHE) in het materiaal. Bij dit fenomeen kunnen elektronen in een materiaal met een aangelegd elektrisch veld (maar geen magnetisch veld) door verschillende mechanismen 90 graden worden afgebogen. "Er werd getheoretiseerd dat metalen met driehoekige spin-arrangementen een significant extrinsiek effect zouden kunnen hebben, dus het was een goede plek om te beginnen, " merkte Yang op. Met behulp van hoek-opgeloste foto-elektronenspectroscopie, fabricage van microapparaten, en een elektronisch meetsysteem voor eigendommen op lage temperatuur, Shuo-Ying en co-hoofdauteur Yaojia Wang (Max Planck Institute of Microstructure Physics) waren in staat om een ​​van de grootste AHE's ooit te observeren.

De AHE kan worden onderverdeeld in twee algemene categorieën:intrinsiek en extrinsiek. "Het intrinsieke mechanisme is alsof een voetballer een pass maakt naar zijn teamgenoot door de bal te buigen, of elektron, rond enkele verdedigers (zonder dat het ermee in botsing komt), " legde Ali uit. "Extrinsiek is als de bal die terugkaatst van een verdediger, of magnetisch verstrooiingscentrum, en naar de zijkant gaan na de aanrijding. Veel extrinsiek gedomineerde materialen hebben een willekeurige rangschikking van verdedigers op het veld, of magnetische verstrooiingscentra die willekeurig door het kristal zijn verdund. KV ₃ sb ₅ is speciaal omdat het groepen van 3 magnetische verstrooiingscentra heeft die in een driehoekig net zijn gerangschikt. In dit scenario, de bal verstrooit zich van het cluster van verdedigers, in plaats van een enkele, en zal eerder naar de kant gaan dan wanneer er maar één in de weg stond."

Dit is in wezen het getheoretiseerde spin-cluster-scheefverstrooiing-AHE-mechanisme dat door de auteurs in dit materiaal werd aangetoond. "De conditie waarmee de inkomende bal de cluster raakt lijkt er echter toe te doen; jij of ik die de bal schopt is niet hetzelfde alsof, zeggen, Christiano Ronaldo trapte de bal, " voegde Ali eraan toe. "Als Ronaldo erop trapt, het beweegt veel sneller en stuitert met veel meer snelheid van het cluster af, sneller opzij gaan dan wanneer een doorsnee persoon erop had getrapt. Dit is, globaal gezegd, het verschil tussen de Dirac quasideeltjes (Ronaldo) in dit materiaal versus normale elektronen (gemiddelde persoon) en houdt verband met waarom we zo'n grote AHE zien, ' legt Ali lachend uit.

Deze resultaten kunnen wetenschappers ook helpen bij het identificeren van andere materialen met deze combinatie van ingrediënten. "Belangrijk, dezelfde fysica die deze AHE regelt, kan ook een zeer groot spin Hall-effect (SHE) veroorzaken - waarbij in plaats van een orthogonale laadstroom te genereren, een orthogonale spinstroom wordt gegenereerd, " merkte Wang op. "Dit is belangrijk voor computertechnologieën van de volgende generatie die gebaseerd zijn op de spin van een elektron in plaats van op zijn lading".

"Dit is een nieuw speelmateriaal voor ons:metalen Dirac-fysica, gefrustreerd magnetisme, afschilferbaar, en chemisch stabiel alles in één. Er is veel gelegenheid om plezier te ontdekken, rare verschijnselen, zoals onconventionele supergeleiding en meer, " zei Ali, opgewonden.