Wetenschappers van de Cluster of Excellence ct.qmat-Complexity and Topology in Quantum Matter hebben een nieuw begrip ontwikkeld van hoe elektronen zich gedragen in sterke magnetische velden. Hun resultaten verklaren metingen van elektrische stromen in driedimensionale materialen die een quantum Hall-effect signaleren - een fenomeen dat tot nu toe alleen wordt geassocieerd met tweedimensionale metalen. Dit nieuwe 3D-effect kan de basis vormen voor topologische kwantumverschijnselen, waarvan wordt aangenomen dat ze bijzonder robuust zijn en daarom veelbelovende kandidaten voor extreem krachtige kwantumtechnologieën. Deze resultaten zijn zojuist gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Dr. Tobias Meng en Dr. Johannes Gooth zijn vroege onderzoekers in de Würzburg-Dresdner Cluster of Excellence ct.qmat die sinds 2019 topologische kwantummaterialen onderzoekt. Ze konden de bevindingen van een recente publicatie in Natuur beweren dat elektronen in het topologische metaal zirkoniumpentatelluride (ZrTe ₅ ) alleen in tweedimensionale vlakken bewegen, ondanks het feit dat het materiaal driedimensionaal is. Meng en Gooth begonnen daarom hun eigen onderzoek en experimenten op het materiaal ZrTe ₅ . Meng van de Technische Universität Dresden (TUD) ontwikkelde het theoretische model, Gooth van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids ontwierp de experimenten. Zeven metingen met verschillende technieken leiden altijd tot dezelfde conclusie.

Elektronen wachten op hun beurt

Het onderzoek van Meng en Gooth schetst een nieuw beeld van hoe het Hall-effect werkt in driedimensionale materialen. De wetenschappers geloven dat elektronen langs driedimensionale paden door het metaal bewegen, maar hun elektrisch vervoer kan nog steeds tweedimensionaal lijken. In het topologische metaal zirkoniumpentatelluride, dit is mogelijk omdat een fractie van de elektronen nog wacht om geactiveerd te worden door een extern magnetisch veld.

"De manier waarop elektronen bewegen is consistent in al onze metingen, en vergelijkbaar met wat anders bekend is van de tweedimensionale kwantum Hall-effecten. Maar onze elektronen gaan in spiralen omhoog, in plaats van beperkt te zijn tot een cirkelvormige beweging in vlakken. Dit is een opwindend verschil met het kwantum Hall-effect en met de voorgestelde scenario's voor wat er gebeurt in het materiaal ZrTe5, " zegt Meng over het ontstaan ​​van hun nieuwe wetenschappelijke model. "Dit werkt alleen omdat niet alle elektronen altijd bewegen. Sommigen blijven stil, alsof ze in de rij stonden. Pas als er een extern magnetisch veld wordt aangelegd, worden ze actief."

Experimenten bevestigen het model

Voor hun experimenten, de wetenschappers koelden het topologische kwantummateriaal af tot -271 graden Celsius en legden een extern magnetisch veld aan. Vervolgens, ze voerden elektrische en thermo-elektrische metingen uit door stromen door het monster te sturen, bestudeerde de thermodynamica door de magnetische eigenschappen van het materiaal te analyseren, en toegepast ultrageluid. Ze gebruikten zelfs röntgenfoto's, Raman en elektronische spectroscopie om de innerlijke werking van het materiaal te onderzoeken. "Maar geen van onze zeven metingen wees erop dat de elektronen slechts tweedimensionaal bewogen, " legt Meng uit, hoofd van de Emmy Noether-groep voor Quantum Design aan de TUD en leidend theoreticus in het huidige project. "Ons model is eigenlijk verrassend eenvoudig, en verklaart nog steeds alle experimentele gegevens perfect."

Outlook voor topologische kwantummaterialen in 3D

Het Nobelprijswinnende quantum Hall-effect werd in 1980 ontdekt en beschrijft de stapsgewijze geleiding van stroom in een metaal. Het is een hoeksteen van de topologische fysica, een veld dat sinds 2005 een golf heeft gekend vanwege zijn beloften voor de functionele materialen van de 21e eeuw. Daten, echter, het quantum Hall-effect is alleen waargenomen in tweedimensionale metalen. De wetenschappelijke resultaten van deze publicatie vergroten het begrip van hoe driedimensionale materialen zich gedragen in magnetische velden. De clusterleden Meng en Gooth willen deze nieuwe onderzoeksrichting verder uitzetten:"We willen absoluut het wachtrijgedrag van elektronen in 3D-metalen nader onderzoeken, " zegt Meng.