Er wordt gezocht naar nieuwe toestanden van materie, en mogelijk nieuwe manieren van coderen, manipuleren, en het vervoeren van informatie. Eén doel is om de kwantumeigenschappen van materialen te benutten voor communicatie die verder gaat dan wat mogelijk is met conventionele elektronica. Topologische isolatoren - materialen die meestal als isolatoren werken maar elektrische stroom over hun oppervlak voeren - bieden enkele prikkelende mogelijkheden.

"Het onderzoeken van de complexiteit van topologische materialen - samen met andere intrigerende opkomende fenomenen zoals magnetisme en supergeleiding - is een van de meest opwindende en uitdagende aandachtsgebieden voor de materiaalwetenschappelijke gemeenschap in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, " zei Peter Johnson, een senior natuurkundige in de gecondenseerde materie fysica &materiaalwetenschap in Brookhaven. "We proberen deze topologische isolatoren te begrijpen omdat ze veel potentiële toepassingen hebben, in het bijzonder in de kwantuminformatiewetenschap, een belangrijk nieuw gebied voor de divisie."

Bijvoorbeeld, materialen met deze gespleten isolator/geleiderpersoonlijkheid vertonen een scheiding in de energiekenmerken van hun oppervlakte-elektronen met tegengestelde "spin". Deze kwantumeigenschap kan mogelijk worden gebruikt in "spintronische" apparaten voor het coderen en transporteren van informatie. Nog een stap verder gaan, het koppelen van deze elektronen aan magnetisme kan leiden tot nieuwe en opwindende verschijnselen.

"Als je magnetisme aan de oppervlakte hebt, kun je deze andere exotische toestanden van materie hebben die ontstaan ​​door de koppeling van de topologische isolator met het magnetisme, " zei Dan Nevola, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Johnson. "Als we topologische isolatoren kunnen vinden met hun eigen intrinsieke magnetisme, we zouden elektronen van een bepaalde spin efficiënt in een bepaalde richting moeten kunnen transporteren."

In een nieuwe studie die zojuist is gepubliceerd en gemarkeerd als een suggestie van een redacteur in Fysieke beoordelingsbrieven , Nevola, johnson, en hun coauteurs beschrijven het eigenzinnige gedrag van zo'n magnetische topologische isolator. Het artikel bevat experimenteel bewijs dat intrinsiek magnetisme in het grootste deel van mangaanbismuttelluride (MnBi2Te4) zich ook uitstrekt tot de elektronen op het elektrisch geleidende oppervlak. Eerdere studies hadden geen uitsluitsel gegeven over de vraag of het oppervlaktemagnetisme al dan niet bestond.

Maar toen de natuurkundigen de gevoeligheid van de oppervlakte-elektronen voor magnetisme maten, slechts één van de twee waargenomen elektronische toestanden gedroeg zich zoals verwacht. Een andere oppervlaktetoestand, die naar verwachting een grotere respons zou hebben, deed alsof het magnetisme er niet was.

"Is het magnetisme aan de oppervlakte anders? Of is er iets exotisch dat we gewoon niet begrijpen?" zei Nevola.

Johnson neigt naar de exotische natuurkundige verklaring:"Dan deed dit zeer zorgvuldige experiment, waardoor hij naar de activiteit in het oppervlaktegebied kon kijken en twee verschillende elektronische toestanden op dat oppervlak kon identificeren, een die op elk metalen oppervlak zou kunnen voorkomen en een die de topologische eigenschappen van het materiaal weerspiegelde, " zei hij. "De eerste was gevoelig voor het magnetisme, wat bewijst dat het magnetisme inderdaad in het oppervlak bestaat. Echter, de andere waarvan we verwachtten dat hij gevoeliger zou zijn, had helemaal geen gevoeligheid. Dus, er moet een exotische natuurkunde aan de hand zijn!"

De maten

De wetenschappers bestudeerden het materiaal met behulp van verschillende soorten foto-emissiespectroscopie, waar licht van een ultraviolette laserpuls elektronen loslaat van het oppervlak van het materiaal en in een detector voor meting.

"Voor een van onze experimenten, we gebruiken een extra infrarood laserpuls om het monster een kleine kick te geven om een ​​deel van de elektronen te verplaatsen voordat we de meting doen, " legde Nevola uit. "Er zijn enkele elektronen nodig en ze worden [in energie] omhoog geschoten om geleidende elektronen te worden. Vervolgens, in zeer, zeer korte tijdschalen - picoseconden - je doet de meting om te kijken hoe de elektronische toestanden zijn veranderd als reactie."

De kaart van de energieniveaus van de geëxciteerde elektronen toont twee verschillende oppervlaktebanden die elk afzonderlijke takken vertonen, elektronen in elke tak met tegengestelde spin. beide banden, die elk een van de twee elektronische toestanden vertegenwoordigen, verwacht werd dat ze zouden reageren op de aanwezigheid van magnetisme.

Om te testen of deze oppervlakte-elektronen inderdaad gevoelig waren voor magnetisme, de wetenschappers koelden het monster af tot 25 Kelvin, waardoor zijn intrinsieke magnetisme naar voren kan komen. Alleen in de niet-topologische elektronische toestand zagen ze echter een "gat" ontstaan ​​in het verwachte deel van het spectrum.

"Binnen zulke lacunes, elektronen mogen niet bestaan, en dus vertegenwoordigt hun verdwijning uit dat deel van het spectrum de signatuur van de kloof, ' zei Nevola.

De waarneming van een opening in de normale oppervlaktetoestand was het definitieve bewijs van magnetische gevoeligheid - en bewijs dat het intrinsieke magnetisme in het grootste deel van dit specifieke materiaal zich uitstrekt tot de oppervlakte-elektronen.

Echter, de "topologische" elektronische toestand die de wetenschappers bestudeerden, vertoonde niet zo'n gevoeligheid voor magnetisme - geen kloof.

"Dat werpt een beetje een vraagteken op, ' zei Johnson.

"Dit zijn eigenschappen die we graag willen begrijpen en ontwikkelen, net zoals we de eigenschappen van halfgeleiders ontwikkelen voor een verscheidenheid aan technologieën, ’ vervolgde Johnson.

In spintronica, bijvoorbeeld, het idee is om verschillende spintoestanden te gebruiken om informatie te coderen op de manier waarop positieve en negatieve elektrische ladingen momenteel worden gebruikt in halfgeleiderapparaten om de "bits" - enen en nullen - van computercode te coderen. Maar spin-gecodeerde kwantumbits, of qubits, hebben veel meer mogelijke toestanden - niet slechts twee. Dit zal het potentieel om informatie op nieuwe en krachtige manieren te coderen aanzienlijk uitbreiden.

"Alles aan magnetische topologische isolatoren ziet eruit alsof ze geschikt zijn voor dit soort technologische toepassingen, maar dit specifieke materiaal voldoet niet helemaal aan de regels, ' zei Johnson.

Dus nu, terwijl het team hun zoektocht naar nieuwe toestanden van materie en verdere inzichten in de kwantumwereld voortzet, er is een nieuwe urgentie om het eigenzinnige kwantumgedrag van dit specifieke materiaal te verklaren.