Wetenschap
Studie onthult een nieuwe familie kwantum-abnormale Hall-isolatoren
De afgelopen jaren hebben natuurkundigen en materiaalwetenschappers verschillende nieuwe materialen geïdentificeerd die worden gekenmerkt door interessante eigenschappen en kwantumeffecten. Deze materialen zouden zeer waardevol kunnen zijn, zowel als platform voor het bestuderen van kwantumeffecten als voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumcomputerapparatuur.
Eén klasse materialen die bijzondere aandacht heeft getrokken, zijn kwantum-abnormale Hall-isolatoren. Deze materialen hebben interessante eigenschappen waardoor ze elektriciteit op zeer gecontroleerde en efficiënte manieren kunnen geleiden, waarbij gebruik wordt gemaakt van kwantummechanische effecten en magnetisme.
Onderzoekers van de Fudan Universiteit in China hebben onlangs geprobeerd nieuwe veelbelovende kwantum-abnormale Hall-isolatoren te identificeren. Hun nieuwste artikel, gepubliceerd in Physical Review Letters , schetst de unieke kenmerken van monolaag V2 MX4 , die tot een nieuwe familie van kwantum-abnormale Hall-isolatoren zou kunnen behoren.
"Het vinden van intrinsieke kwantum-abnormale Hall-materialen is een belangrijk doel in topologisch materiaalonderzoek", vertelde Jing Wang, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "Nadat we MnBi2 hadden voorspeld Te4 , een paradigmavoorbeeld van een magnetische topologische isolator en die een kwantum-abnormaal Hall-effect vertoont in een oneven laag, hebben we nagedacht over het vinden van een nieuwe intrinsieke kwantum-abnormale Hall-isolator met een grote opening."
Quantum afwijkende Hall-isolatiematerialen met grote opening vertonen een kwantum afwijkend Hall-effect met een relatief grote energiekloof tussen de valentie- en geleidingsband. Deze materialen zouden een synergie moeten vertonen tussen twee ogenschijnlijk tegenstrijdige eigenschappen, namelijk spin-baankoppeling en ferromagnetisme.
"De sleutel is geworteld in de d-orbitalen, waarin zowel de topologie als het magnetisme naast elkaar bestaan", zei Wang. "In onze eerdere werken presenteerden we aanvankelijk ATiX, een klasse van kwantum-abnormale Hall-materialen die worden gekenmerkt door de P4 / nm-ruimtegroep", zei Wang. "De symmetrieanalyse in P4/nmm heeft ons uiteindelijk geleid tot het identificeren van V2 MX4 materialen onder de P-42m ruimtegroep."
V2 MX4 , zou de nieuwe familie van materialen geïdentificeerd door Wang en zijn medewerkers kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van processen die op grote schaal worden toegepast om verbindingen met vergelijkbare structuren te synthetiseren, zoals Cu2 MX4 en Ag2 MX4 . Deze nieuwe materiaalfamilie omvat in totaal tien materialen met niet-triviale topologische bandafstanden en vergelijkbare eigenschappen, waarvan van zes theoretisch is bewezen dat ze zowel dynamische als thermodynamische stabiliteit vertonen.
"De overvloed aan kandidaten onderstreept de universaliteit van deze structuur, waardoor de vooruitzichten op synthese worden vergroot", legt Wang uit. "Qua prestaties vinden wij dit een passende omschrijving van V2 MX4 familie is 'eenvoudig maar krachtig'. De eenvoudige Hund-regel levert hoge Curie-temperaturen op (variërend van 200 tot 500 K). De bandinversie op het Gamma-punt levert een grote niet-triviale topologische bandafstand op (variërend van 100 tot 300 meV).
De numerieke berekeningen en simulaties uitgevoerd door Wang en zijn collega's suggereren dat V2 MX4 materialen hebben rijke topologische eigenschappen. Het zijn kwantum afwijkende Hall-isolatoren in hun oneven laag, axion-isolatoren in hun even laag, antiferromagnetische topologische isolatoren in hun 3D-grondtoestand, en 3D-kwantum-abnormale Hall-isolatoren in hun ferromagnetische 3D-toestand.
De onderzoekers zijn nu begonnen samen te werken met een team van experimentele natuurkundigen om V2 te synthetiseren MX4 in laboratoriumomgevingen. Hun werk zou de weg kunnen vrijmaken voor het identificeren van andere veelbelovende kwantum-abnormale Hall-isolatoren, wat interessante implicaties zou kunnen hebben voor het onderzoek naar de kwantumfysica en de ontwikkeling van kwantumtechnologie.
"V2 MX4 onderscheidt zich als een van de meest competitieve kandidaten voor een kwantum-abnormale Hall-isolator op hoge temperatuur met grote gaten, "voegde Wang eraan toe. "Als dit experimenteel wordt gerealiseerd, zou dit het onderzoek en de toepassing van topologische kwantumfysica enorm kunnen bevorderen. Een belangrijk doel voor ons volgende onderzoek zal het vinden van nieuwe intrinsieke topologische isolatiematerialen zijn, en we zullen gelijktijdig samenwerken met experimentele groepen om V2 te fabriceren. MX4 ."