Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben nieuwe helixvormige magnetische ordening waargenomen in de topologische verbinding EuIn ₂ Als ₂ die exotische elektrische geleiding ondersteunt die kan worden afgesteld door een magnetisch veld. De ontdekking heeft belangrijke implicaties voor fundamenteel onderzoek naar functionele topologische eigenschappen en kan ooit worden gebruikt in een aantal geavanceerde technologische toepassingen.

Topologische materialen kwamen ongeveer vijftien jaar geleden op het toneel in de natuurwetenschappen, decennia nadat hun bestaan ​​was getheoretiseerd. 'topologisch' genoemd omdat hun bulk elektronische banden aan elkaar zijn "geknoopt", de oppervlakken van topologische isolatoren "maken de knoop los" en worden metaalachtig. Onderzoekers van het Centre for the Advancement of Topological Semimetals (CATS) van het Ames Laboratory proberen te ontdekken, begrijpen, en controleer de uitzonderlijke geleidingseigenschappen van deze materialen.

Veel van de moderne technologie is gebaseerd op kristallijne materialen, dat zijn vaste stoffen die zijn samengesteld uit een herhalende (periodieke) rangschikking van atomen die een rooster vormen. Door de periodiciteit het rooster ziet er hetzelfde uit na bepaalde symmetrieoperaties zoals translatie, specifieke rotaties, spiegel, en/of inversie. Het al dan niet bestaan ​​van deze symmetrieën beïnvloedt de topologie van de elektronische band en de elektronische geleiding aan het oppervlak. Magnetische ordening kan de symmetrieën van het materiaal wijzigen, het verschaffen van een extra middel om de topologische toestand te beheersen.

In samenwerking met wetenschappers van Spallation Neutron Source van Oak Ridge National Laboratory, McGill-universiteit, en het onderzoeksreactorcentrum van de Universiteit van Missouri, het CATS-team ontdekte het bestaan ​​van spiraalvormige magnetische ordening met lage symmetrie in EuIn ₂ Als ₂ die een zeer gewilde topologische toestand ondersteunt die een axion-isolator wordt genoemd. Deze toestand vertoont overeenkomsten met het axiondeeltje in de kwantumchromodynamica, een kandidaat-component van donkere materie. In vastestofmaterialen, het zorgt voor een opmerkelijke parallelle koppeling tussen magnetische en elektrische eigenschappen.

In aanwezigheid van de complexe spiraalvormige magnetische ordening van EuIn ₂ Als ₂ , de axiontoestand leidt tot topologische kenmerken in het elektronische oppervlaktespectrum genaamd Dirac-kegels. Wanneer een Dirac-kegel voorkomt op een oppervlak van het materiaal dat wordt gepenetreerd door een fundamentele as van de magnetische ordening, de kegel heeft geen energiespleet en het oppervlak vertoont weerstandsloze geleiding die is gekoppeld aan de oriëntatie van de elektronische spin. De andere oppervlakken hebben Dirac-kegels met een opening en ondersteunen gekwantiseerde elektrische geleiding met een half geheel getal. De onderzoekers voorspellen dat de toepassing van een relatief matig magnetisch veld schakelt welke oppervlakken welk type Dirac-kegel ondersteunen, waardoor de oppervlaktegeleiding kan worden afgestemd.

Het vermogen om door een magnetisch veld tussen oppervlaktetoestanden te schakelen, biedt een experimentele weg om de unieke eigenschappen van zijn topologische toestanden te onderzoeken. Deze afstembaarheid is ook veelbelovend voor technologieën zoals uiterst nauwkeurige sensoren, weerstandsloze nanodraden, magnetische opslagmedia, en kwantumcomputers. Toekomstige studies zullen kijken naar bulkkristallen terwijl een magnetisch veld wordt toegepast en zullen dunne films op nanoschaal synthetiseren en bestuderen om de weg vrij te maken voor technologische toepassingen.

De krant, "Magnetische kristallijn-symmetrie-beschermde axion-elektrodynamica en veldafstembare niet-vastgezette Dirac-kegels in EuIn ₂ Als ₂ , " is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .