Onderzoekers hebben een "laag" Hall-effect ontdekt in een solid-state chip die is gemaakt van antiferromagnetisch mangaanbismuttelluride, een bevinding die wijst op een veelgevraagde topologische Axion-isolatietoestand, het team rapporteert in de huidige editie van het tijdschrift Natuur .

Onderzoekers hebben geprobeerd bewijs te vinden van een topologische Axion-isolerende (TAI) toestand en hebben enkele kandidaat-materialen ontwikkeld op basis van theoretische berekeningen. Het gelaagde Hall-effect vertegenwoordigt het eerste duidelijke experimentele bewijs van de staat, een kenmerk gebonden aan de wetten van de kwantumfysica, volgens Boston College universitair docent natuurkunde Qiong Ma, een senior onderzoeker op het project, waaronder 36 wetenschappers van universiteiten in de VS, Japan, China, Taiwan, Duitsland, en Indië.

Onderzoekers geloven dat wanneer het volledig wordt begrepen, TAI kan worden gebruikt om halfgeleiders te maken met mogelijke toepassingen in elektronische apparaten, zei mama. De hoogst ongebruikelijke eigenschappen van Axions zullen een nieuwe elektromagnetische respons ondersteunen, het topologische magneto-elektrische effect, de weg vrijmaken voor het realiseren van ultragevoelige, ultrasnel, en dissipatieloze sensoren, detectoren en geheugenapparaten.

Centraal in deze onderzoekslijn onder natuurkundigen en materiaalwetenschappers staan ​​Axions, zwak-interagerende deeltjes voor het eerst gepostuleerd door theoretici meer dan 30 jaar geleden, zei mama. Ze zijn een van de belangrijkste kandidaten voor Dark Matter, een mysterieuze vorm van materie waarvan wordt aangenomen dat deze ongeveer 85 procent van het universum uitmaakt.

Terwijl de zoektocht naar Axions in de hoge-energiefysica actief aan de gang is, er is onlangs voorgesteld dat Axions kunnen worden gerealiseerd als quasi-deeltjes in vaste stof materialen. De voornaamste kandidaat als de plaats om Axions te lokaliseren is in een kwantum TAI-materiaal, waar onderzoekers suggereren dat Axions bestaan ​​als elektronische excitaties met lage energie, zei mama.

"We gingen op zoek naar de topologische Axion-isolerende toestand in een zorgvuldig ontworpen kwantumapparaat gemaakt van even-getal-gelaagde MnBi2Te4 - of mangaan-bismuttelluride, " zei Ma. "Eerdere studies hebben de isolerende staat aangetoond, namelijk, zeer grote weerstand, dat wil zeggen, echter, geldt voor elke isolator. We wilden eigenschappen demonstreren die uniek zijn voor Axion-isolatoren en niet bestaan ​​in reguliere isolatoren, zoals diamant."

Het materiaal vormt een tweedimensionale gelaagde kristalstructuur, waardoor Ma en haar collega's atoomdikke vlokken mechanisch konden exfoliëren met behulp van cellofaantape die te vinden is in de meeste drogisterijen en supermarkten. Dunne vlokstructuren met even aantallen lagen werden voorgesteld als een Axion-isolator.

Ma werkte nauw samen met andere natuurkundigen van Boston College, Brian Zhou en Kenneth Burch. Zhou gebruikte een unieke kwantumtechniek om het magnetisme van MnBi2Te4 te detecteren. Burch heeft een unieke handschoenkastfaciliteit die wordt gebruikt om het monster in een inerte omgeving te verwerken.

"We hebben eerst het laagnummer gekarakteriseerd met optische methoden en vervolgens elektrische transportmetingen uitgevoerd, zoals het meten van de monsterweerstand onder verschillende omstandigheden, inclusief variërend elektrisch veld, magnetisch veld en omgevingstemperatuur, ' zei mama.

De onderzoekers vonden het Hall-effect, een bekende natuurkundige wet waarbij elektronen onder een hoek met de as bewegen onder invloed van een aangelegd magnetisch veld. Maar in dit geval, deze elektronen reisden zonder dergelijke hulp, zei mama. De sleutel was de topologie van het materiaal, of de kwantumkenmerken van zijn elektronen en de golven waarin ze functioneren.

"We hebben een nieuwe eigenschap waargenomen voor elektronen die door dit materiaal reizen in zijn Axion-isolerende toestand:de elektronen reizen niet in een rechte lijn; in plaats daarvan, ze buigen af ​​naar de dwarsrichting. Dit effect werd meestal alleen waargenomen onder een groot magnetisch veld, bekend als het Hall-effect, ' zei mama. 'Maar hier, de doorbuiging treedt op vanwege de inherente topologie van de materialen en zonder extern magnetisch veld. interessanter, de elektronen buigen naar tegenoverliggende zijden op de bovenste en onderste lagen. Daarom, we hebben het bedacht als het laag Hall-effect. Het laag Hall-effect dient als een duidelijke handtekening van de topologische Axion-isolatietoestand, wat niet zal gebeuren in reguliere isolatoren."

ma, wiens onderzoek naar het project wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, zei dat het team verrast was te ontdekken dat de topologische Axion-isolatietoestand en het laag Hall-effect effectief kunnen worden gecontroleerd door het zogenaamde Axion-veld, wat het product is van het aanleggen van zowel een elektrisch veld als een magnetisch veld.

"Dit betekent dat of de elektronen naar links of naar rechts afbuigen op de bovenste en onderste lagen, kan worden geschakeld door de collectieve toepassing van de elektrische en magnetische velden, "Zei Ma. "Een enkel veld is niet in staat om de ene situatie in de andere te veranderen."

Harvard University assistent-hoogleraar chemie Suyang Xu, een hoofdauteur van het rapport, toegevoegd, "We zijn erg enthousiast over dit werk omdat het het eerste realistische platform voor de topologische Axion-isolatortoestand demonstreert."

Ma zei dat de identificatie van de topologische Axion-isolatietoestand leidt tot de volgende stap van het zoeken naar handtekeningen van de bepalende Axion-dynamiek in dit systeem, wat bekend staat als het topologische magneto-elektrisch effect (ME).

"Het topologische ME-effect is een fundamenteel nieuw mechanisme om elektriciteit om te zetten in magnetisme, of vice versa, zonder energieverlies, en heeft een groot potentieel om ultra-energie-efficiënte spintronic- en geheugenapparaten te realiseren, " zei mam.

Om dit aan te tonen zal verdere optimalisatie van de materiaalkwaliteit nodig zijn, de geometrie van het apparaat, en uitgebreide experimentele mogelijkheden, zei mama.