Het leiden van een samenwerking van instellingen in de VS en in het buitenland, het Princeton University Department of Chemistry rapporteert nieuwe topologische eigenschappen van het magnetische pyriet Cobalt disulfide (CoS ₂ ) die ons begrip van elektrische kanalen in dit lang onderzochte materiaal vergroten.

Met behulp van hoek-opgeloste foto-elektron spectroscopie en ab-initio berekeningen, onderzoekers die met het Schoop Lab werkten, ontdekten de aanwezigheid van Weyl-knooppunten in bulk CoS2 waarmee ze voorspellingen kunnen doen over de oppervlakte-eigenschappen ervan. Het materiaal herbergt Weyl-fermionen en Fermi-arc oppervlaktetoestanden binnen zijn bandstructuur, waardoor het kan dienen als een platform voor exotische verschijnselen en het wordt geplaatst tussen materialen die in aanmerking komen voor gebruik in spintronische apparaten.

Het onderzoek beslecht ook een al lang bestaand debat, bewijzen dat CoS ₂ is geen echt half-metaal. Een halfmetaal is elke stof die werkt als een geleider voor elektronen met één spin-oriëntatie, maar als een isolator of halfgeleider voor die van de tegenovergestelde oriëntatie. Hoewel alle halfmetalen ferromagnetisch zijn, de meeste ferromagneten zijn geen halfmetalen. Deze bevinding dat CoS ₂ is geen half metaal heeft belangrijke implicaties voor materialen en apparaattechniek.

Leslie Schoop, assistent-professor scheikunde bij Princeton Chemistry, noemde het werk "een herontdekking van nieuwe fysica in een oud materiaal." Het onderzoek is deze week gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

CoS ₂ is al tientallen jaren onderwerp van studie vanwege zijn rondtrekkend magnetisme, en sinds het begin van de jaren 2000 - voordat topologische isolatoren werden voorspeld en ontdekt - vanwege het potentieel om een ​​halfmetaal te zijn. Onderzoekers waren "gelukkig" om de laatste discussie te laten rusten.

Door het Schoop-onderzoek, het materiaal werd ontdekt als een zeldzaam voorbeeld van die groep magnetische topologische metalen die werden voorgesteld als middelen voor omzetting van lading naar spin. Door de bulk- en oppervlakte-elektronische structuur van CoS . te ontwarren ₂ , onderzoekers hebben aangetoond dat er een verband bestaat tussen elektronische kanalen in het binnenste materiaal die andere toestanden aan het oppervlak kunnen voorspellen. In een materiaal, een elektrische stroom kan door de bulk gaan of langs het oppervlak stromen. Onderzoekers ontdekten dat bulk CoS ₂ bevat objecten genaamd Weyl-knooppunten in zijn structuur die dienen als elektronische kanalen die andere toestanden aan het oppervlak kunnen voorspellen.

"De prachtige natuurkunde hier is dat je deze Weyl-knooppunten hebt die spin-gepolariseerde oppervlaktetoestanden vereisen. Deze kunnen worden geoogst voor spintronische toepassingen, ' zei Schoop.

"Deze elektronische toestanden die alleen aan de oppervlakte bestaan, hebben een chiraliteit die ermee verbonden is, en vanwege die chiraliteit kunnen de elektronen ook alleen in bepaalde richtingen bewegen, " voegde ze eraan toe. "Sommige mensen denken erover om deze chirale toestanden in andere toepassingen te gebruiken. Er zijn niet veel magnetische materialen waar deze eerder zijn gevonden."

Chiraliteit verwijst naar die eigenschap die een object of systeem niet te onderscheiden maakt van zijn spiegelbeeld, d.w.z. niet over elkaar heen te leggen - en is een belangrijke eigenschap in vele takken van wetenschap.

Schoop voegde eraan toe dat de elektronische kanalen gepolariseerd zijn. Dit magnetisme kan mogelijk worden gebruikt om het materiaal te manipuleren:wetenschappers kunnen de magnetisatierichting veranderen en de oppervlaktetoestanden kunnen dan opnieuw worden geconfigureerd als reactie op dit aangelegde magnetische veld.

Paper co-auteur Maia Vergniory, van het Donostia International Physics Centre in Spanje, toegevoegd, "Er zijn maar een paar magnetische materialen waarvan is gemeten dat ze zulke oppervlaktetoestanden hebben, of Fermi-bogen, en dit is als de vierde, Rechtsaf? Dus, het is echt verbazingwekkend dat we de spinkanalen konden meten en begrijpen in een materiaal dat al zo lang bekend was."

Als collega's in 2016, Schoop en Vergniory bespraken het onderzoeken van de materiaaleigenschappen van CoS ₂ , vooral of het kan worden geclassificeerd als een echt halfmetaal. Het onderzoek ging door verschillende iteraties nadat Schoop in 2017 in Princeton aankwam, en werd gewerkt door afgestudeerde studenten onder Schoop en onder Vergniory bij Donostia.

Niels Schröter, een collega aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland en hoofdauteur van het papier, hield toezicht op het team bij de Swiss Light Source dat de materiële Weyl-knooppunten in kaart bracht.

"Wat we wilden meten was niet alleen de elektronische oppervlaktestructuur, " zei Schröter. "We wilden ook iets leren over de bulk elektronische eigenschappen, en om beide complementaire stukjes informatie te krijgen, we moesten de gespecialiseerde ADRESS-bundellijn bij de Zwitserse lichtbron gebruiken om elektronen diep in het grootste deel van het materiaal te onderzoeken."

Schröter legde uit hoe ingenieurs later een apparaat zouden kunnen bouwen met dit materiaal.

"Je zou dit materiaal in contact brengen met een ander materiaal, bijvoorbeeld met een magnetische isolator of iets dergelijks waarin je dan magnetische golven wilt creëren door er een elektrische stroom doorheen te laten lopen.

"Het mooie van deze topologische materialen is dat deze grensvlakelektronen die kunnen worden gebruikt voor spin-injectie, ze zijn zeer robuust. Je kunt ze niet gemakkelijk kwijt. Dit is waar deze gebieden van topologie en spintronica elkaar kunnen ontmoeten, omdat topologie misschien een manier is om ervoor te zorgen dat deze spin-gepolariseerde interfacetoestanden in contact komen met andere magnetische materialen die je zou willen regelen met stromen of velden."

Schoop heeft toegevoegd, "Ik denk dat dit soort herontdekking in dit zeer oude en goed bestudeerde materiaal erg opwindend is, en ik ben blij dat ik deze twee geweldige medewerkers heb die hebben geholpen om het vast te leggen."