Een samenwerking tussen drie FLEET-knooppunten heeft de fundamentele theorieën beoordeeld die ten grondslag liggen aan het kwantum afwijkende Hall-effect (QAHE).

QAHE is een van de meest fascinerende en belangrijke recente ontdekkingen in de fysica van de gecondenseerde materie.

Het is de sleutel tot de functie van opkomende kwantummaterialen, die potentieel bieden voor elektronica met ultralage energie.

QAHE veroorzaakt de stroom van nulweerstand elektrische stroom langs de randen van een materiaal.

QAHE in topologische materialen:sleutel tot energiezuinige elektronica

Topologische isolatoren, erkend door de Nobelprijs voor Natuurkunde in 2016, zijn gebaseerd op een kwantumeffect dat bekend staat als het kwantum afwijkende Hall-effect (QAHE).

"Topologische isolatoren geleiden elektriciteit alleen langs hun randen, waar eenrichtingsrandpaden elektronen geleiden zonder de verstrooiing die dissipatie en warmte veroorzaakt in conventionele materialen, ", legt hoofdauteur Muhammad Nadeem uit.

QAHE werd voor het eerst voorgesteld door de Nobelprijswinnaar van 2016, Prof Duncan Haldane (Manchester) in de jaren tachtig, maar het bleek achteraf een uitdaging om QAHE in echte materialen te realiseren. Magnetisch gedoteerde topologische isolatoren en spin-gapless halfgeleiders zijn de twee beste kandidaten voor QAHE.

Het kwantum Hall-effect (QHE) is een kwantummechanische versie van het Hall-effect, waarbij een klein spanningsverschil loodrecht op een stroom wordt gecreëerd door een aangelegd magnetisch veld.

Het quantum Hall-effect wordt waargenomen in 2D-systemen bij lage temperaturen binnen zeer sterke magnetische velden, waarin de Hall-weerstand kwantumovergangen ondergaat, d.w.z. het varieert in discrete stappen in plaats van soepel.

QAHE beschrijft een onverwachte kwantisering van de dwarse Hall-weerstand, gepaard gaat met een aanzienlijke daling van de longitudinale weerstand.

QAHE wordt abnormaal genoemd omdat het optreedt in afwezigheid van een aangelegd magnetisch veld, met de drijvende kracht in plaats daarvan door een spin-baankoppeling of intrinsieke magnetisatie.

Onderzoekers proberen deze twee drijvende factoren te verbeteren om QAHE te versterken, waardoor topologische elektronica mogelijk zou zijn voor gebruik bij kamertemperatuur.

Het is een gebied van groot belang voor technologen, " legt Xiaolin Wang uit. "Ze zijn geïnteresseerd in het gebruik van deze aanzienlijke vermindering van weerstand om het stroomverbruik in elektronische apparaten aanzienlijk te verminderen."

"We hopen dat deze studie licht zal werpen op de fundamentele theoretische perspectieven van kwantum afwijkende Hall-materialen, " zegt co-auteur Prof Michael Fuhrer (Monash University), die directeur is van FLEET.

De studie

de samenwerking, theoretische studie concentreert zich op deze twee mechanismen:

Er werden vier modellen beoordeeld die deze twee effecten zouden kunnen versterken, en zo QAHE te verbeteren, waardoor topologische isolatoren en spin volledig gepolariseerde zero-gap materialen (spin gapless halfgeleiders) bij hogere temperaturen kunnen functioneren.

"Onder de verschillende kandidaat-materialen voor QAHE, spin-gapless halfgeleiders kunnen van potentieel belang zijn voor toekomstige topologische elektronica/spintronica-toepassingen, " legt Mohammed Nadeem uit.

Quantum afwijkend Hall-effect in magnetische gedoteerde topologische isolatoren en ferromagnetische spin-gaploze halfgeleiders - een perspectiefoverzicht werd gepubliceerd in het tijdschrift Klein in september 2020.