Of je nu in de ruimte kijkt of diep in het microscopische rijk tuurt, er is altijd meer te zien. In het geval van vaste stoffen is er een wereld van atomen en deeltjes die wemelt van de activiteit die uiteindelijk leidt tot nuttige eigenschappen zoals elektrische geleiding, magnetisme en isolatie.

Een van de krachtigste hulpmiddelen om het ongeziene te zien, is een scanning tunneling microscoop of kortweg STM. In plaats van een optische lens, komt het krachtige oog van een elektrische stroom die tussen de punt van de microscoop en het monstermateriaal loopt. De punt scant over het monster en produceert een signaal dat verandert op basis van hoe atomen in een bepaald materiaal zijn gerangschikt. Alles bij elkaar brengen de scans oppervlakken in kaart met een resolutie van minder dan nanometer, waardoor elektronen en locaties met één atoom worden onthuld.

Onlangs voegde een team van IQUIST-onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign een draai toe aan hun STM door de tip te vervangen door een nanodraad gemaakt van een exotisch materiaal, samariumhexaboride (SmB₆ ). Ze gebruiken de nanodraad om magnetische kenmerken in beeld te brengen in een benadering die potentiële voordelen heeft in vergelijking met andere methoden. Zoals gepubliceerd in het nummer van Science van 9 september, hun gecombineerde metingen en berekeningen toonden het ongewone karakter van de nanodraad zelf aan.

"Lin Jiao, een voormalig postdoc in onze groep, stelde het idee voor dat dit soort nanodraadtip ons een ja-nee antwoord zou kunnen geven op de vraag of een materiaal magnetisch was of niet," zei IQUIST-lid Vidya Madhavan, een natuurkundeprofessor en corresponderende auteur op het papier. "Tot onze verbazing toonde Anuva Aishwarya, een afgestudeerde studente in de groep, aan dat deze tips veel meer informatie konden geven dan dat."

De kern van een STM is een effect dat elektronen door een barrière laat "tunnelen". Elektronen zijn fundamentele deeltjes die worden beheerst door de kwantumfysica en kunnen werken als golven. In tegenstelling tot watergolven, verdwijnen elektronen niet noodzakelijkerwijs of stuiteren ze niet volledig terug wanneer ze een oppervlak raken. Als ze een superdunne barrière tegenkomen, kan een deel van de golf er doorheen lekken in een proces dat kwantumtunneling wordt genoemd. In een STM is er een opening tussen de punt van de microscoop en het monstermateriaal. De elektronen kunnen door deze opening tunnelen, waardoor een elektrisch signaal ontstaat dat op zijn beurt informatie over het monster bevat.

Naast lading hebben elektronen een eigenschap genaamd spin, die kan worden afgebeeld als een pijl die aan het elektron is bevestigd. Typisch kunnen elektrische stromen elektronen bevatten met hun spins in willekeurige richtingen gericht. Maar wetenschappers kunnen sommige materialen overhalen om stromen te dragen met de draairichting vergrendeld. Vaste-spin (gepolariseerde) stromen in STM's kunnen bijvoorbeeld worden gegenereerd met een combinatie van magnetische tips en externe magneten. Helaas kunnen de toegevoegde magneten invasief zijn en onbedoeld de monsteratomen beïnvloeden. In de nieuwe studie hebben de onderzoekers een andere benadering gekozen voor het creëren van spin-gepolariseerde stromen.

In plaats van een magnetische punt te gebruiken, gebruikte het team niet-magnetische SmB₆ . Ongeveer tien jaar geleden voorspelden wetenschappers dat dit materiaal een Kondo-topologische isolator zou kunnen zijn, die ongewoon stabiele spin-gepolariseerde stromen zou moeten hebben zonder toegevoegde magneten. Dus op het oppervlak van SmB₆ elektrische stromen die naar rechts bewegen, moeten elektronen met spin-up hebben, en vice versa voor stromen naar links. De stromen kunnen zelfs overleven bij ongewenste defecten in het materiaal. Dit is een algemeen kenmerk van topologische isolatoren, maar wetenschappers hebben voor uitdagingen gestaan ​​bij het vertalen van deze nogal exotische fysica naar echte technologische toepassingen. Bovendien proberen wetenschappers nog steeds de verschillende soorten topologische materialen te begrijpen. Deze nieuwe studie levert sterk bewijs dat SmB₆ is inderdaad een Kondo topologische isolator en zet zijn eigenaardige stromen aan het werk om magnetische beeldvorming te vereenvoudigen.

In het laboratorium van Madhavan gebruikte het team nanofabricage om de STM aan te passen. Zhuozhen (een student in de groep) onder leiding van Lin, bracht honderden uren door in een cleanroom om deze procedure te ontwikkelen. Eerst gebruikten ze een ionenstraal om de normale punt, die van wolfraam is gemaakt, af te hakken. Vervolgens hebben ze de nanodraad ingebed in een greppel van slechts een paar honderd nanometer breed. De draden hadden een diameter van ongeveer 60-100 nanometer, wat ongeveer de grootte is van sommige virussen.

Ze scanden de punt over het oppervlak van ijzertelluride, een antiferromagneet. Dergelijke materialen hebben afwisselende gebieden van spin-up en spin-down elektronen, en de algehele magnetisatie wordt opgeheven. Dit in tegenstelling tot meer bekende gewone staafmagneten, die alle elektronenspins in één richting hebben gericht. Eerdere STM-afbeeldingen met magnetische uiteinden vertoonden licht-donker-lichtstrepen, wat betekent dat het monster antiferromagnetisch is. Het team verzamelde vergelijkbare beelden met de nieuwe niet-magnetische nanodraadopstelling, die aangaf dat de tunneling-elektronen van SmB₆ waren spin-gepolariseerd. Toen de punt zich boven een gebied van de antiferromagneet bevond met spins die overeenkwamen met de oriëntatie van de spins van de oppervlaktestroom, nam het signaal toe; anders is het afgenomen. De STM bracht deze variaties in kaart terwijl deze over het monster scande en duidelijke patronen vertoonde die overeenkomen met de afwisselende spinstrepen.

Om verder te bevestigen dat de nanodraadsignalen gerelateerd waren aan de ongebruikelijke stromen van SmB₆ , heeft het team het experiment opgewarmd tot boven 10 Kelvin. Bij deze temperatuur, SmB₆ zou niet langer een Kondo-topologische isolator moeten zijn en zal zijn oppervlaktespinstromen verliezen. Cruciaal was dat de STM geen antiferromagnetische strepen meer waarnam, hoewel de magnetische ordening van het monster bij deze temperatuur overleeft. Ze ontdekten dat spin-gepolariseerde stromen boven deze temperatuur eenvoudigweg niet aanwezig waren in de nanodraad. Het team voerde een derde controle uit van de spin-gepolariseerde stromen door de richting van de spanning op de nanodraadtip te veranderen. Dit keerde de richting van de tunnelstroom tussen de STM en het monster om. De STM-afbeeldingen toonden aan dat het contrast in de afbeeldingen omgekeerd is, wat alleen kan gebeuren als de tunneling-elektronen spinpolarisatie hebben die omslaat wanneer de stroom van richting verandert. Samen toonde dit bewijs het exotische karakter van SmB₆ .

"We kunnen de nanodraad op de punt omschakelen naar een ander materiaal, waardoor we andere, mogelijk ongebruikelijke, aspecten van ons monster zouden kunnen onderzoeken", zegt Anuva Aishwarya, hoofdauteur en afgestudeerd natuurkundestudent in de groep van Madhavan. "Ik ben hier erg enthousiast over omdat het deuren opent naar een nieuwe detectietechniek op nanoschaal!"

De eigenschappen van de tip waren verrassend herhaalbaar, zei Madhavan. Het team kon de nanodraden zelfs aan de lucht blootstellen en ze deden het consequent goed in de STM. Er is nog veel onbekend over SmB₆ , maar de robuuste prestaties in combinatie met de meetgegevens komen overeen met de voorspellingen over de topologische aard ervan.

"Deze techniek is misschien de eerste echte toepassing van een topologische isolator, en opmerkelijk genoeg, om te werken, is het van cruciaal belang dat de oorsprong van de topologie is van sterke veel-elektron-interacties zoals verwacht in SmB₆ ", zei IQUIST-lid Taylor Hughes, hoogleraar natuurkunde en co-auteur van het onderzoek.

In toekomstige studies is het team van plan om de nanodraad aan te passen om te zien of deze nog meer materiële kenmerken kan onthullen. Ze zijn bijvoorbeeld geïnteresseerd in het creëren en detecteren van exotische deeltjesachtige entiteiten zoals Majorana-fermionen, die al lang zijn voorgesteld als basis voor nieuwe kwantumcomputers. + Verder verkennen

Een nieuwe weg naar spin-gepolariseerde stromen