پرینستون دانشمندان کشف topological آهنربا که در نمایشگاه های عجیب و غریب اثرات کوانتومی

یک تیم بین المللی به رهبری محققان در دانشگاه پرینستون کشف یک کلاس جدید از آهنربا که در نمایشگاه های رمان اثرات کوانتومی است که گسترش به دمای اتاق.

محققان کشف تدریجی topological فاز در بکر آهنربا. یافته های خود را ارائه بینش به 30 سال تئوری چگونه الکترون پلهای خود به خود و نشان دادن proof-of-اصل روش جدید برای کشف topological آهن ربا. کوانتومی آهن ربا امیدوار کننده برای سیستم عامل dissipationless فعلی ظرفیت ذخیره سازی بالا و آینده فن آوری های سبز. مطالعه منتشر شده در مجله طبیعت در این هفته.

کشف ریشه دروغ در عملکرد کوانتومی اثر هال - فرم توپولوژیک اثر که موضوع جایزه نوبل فیزیک در سال 1985. این اولین بار است که یک شاخه از ریاضیات نظری به نام توپولوژی خواهد شروع به تغییر اساسی ما چگونه توصیف و طبقه بندی موضوع است که باعث می شود تا جهان اطراف ما. زمان topological مرحله شده است به شدت مورد مطالعه در علوم و مهندسی است. بسیاری از کلاس های جدید کوانتومی مواد با topological الکترونیکی سازه یافت شده است از جمله عایق توپولوژیکی و Weyl semimetals. در حالی که برخی از هیجان انگیز ترین ایده های نظری نیاز به مغناطیس بیشترین مواد کشف شده اند بيشتر باشد و نشان می دهد هیچ تدریج ترک بسیاری از وسوسه انگیزی فرصت نشده.

"کشف یک مغناطیسی topological با مواد تدریجی رفتار یک گام بزرگ به جلو است که می تواند باز کردن افق های جدید در مهار کوانتومی توپولوژی برای آینده فیزیک بنیادی و نسل بعدی دستگاه های پژوهش" گفت: محمد زاهد حسن یوجین Higgins استاد فیزیک در دانشگاه پرینستون که رهبری این تیم تحقیقاتی.

در حالی که تجربی اکتشافات شد و به سرعت در حال ساخته فیزیک نظری سرآمد در حال توسعه ایده های منجر به اندازه گیری های جدید. مهم نظری مفاهیم در 2D topological مقره قرار داده بودند رو به جلو در سال 1988 توسط S. Duncan Haldane, the Thomas D. Jones استاد فیزیک ریاضی و شرمن Fairchild دانشگاه استاد فیزیک در پرینستون که در سال 2016 اهدا شد جایزه نوبل در فیزیک نظری اکتشافات topological فاز انتقال و topological مراحل مهم است. پس از آن نظری تحولات نشان داد که topological insulator-میزبانی مغناطیس در یک ویژه اتمی تنظیم شناخته شده به عنوان یک شبکه کاگومه می تواند میزبان برخی از عجیب و غریب ترین اثرات کوانتومی.

حسن و تیم او بوده و در یک دهه به طول جستجو برای یک topological مغناطیسی کوانتوم دولت است که همچنین ممکن است این عمل در دمای اتاق خود را پس از کشف اولین نمونه های سه بعدی عایق توپولوژیک. به تازگی آنها در بر داشت یک مواد محلول به Haldane حدس در یک شبکه کاگومه آهنربا است که قادر است از عملیاتی در دمای اتاق که همچنین نمایشگاه بسیار مطلوب تدریج. "شبکه کاگومه می توان طراحی شده دارای نسبیتی باند گذرگاه و قوی الکترون-الکترون فعل و انفعالات. هر دو ضروری برای رمان مغناطیس. ما متوجه شد که کاگومه آهن ربا هستند امیدوار کننده سیستم است که در آن به جستجو برای topological آهنربا فاز به عنوان آنها مانند عایق توپولوژیک است که ما مورد مطالعه قبل از" گفت: Hasan.

برای مدت طولانی مستقیم مواد و تجربی تجسم این پدیده باقی مانده است دشوار است. این تیم متوجه شد که بسیاری از کاگومه آهن ربا بودند بیش از حد دشوار است برای سنتز این مغناطیس بود به اندازه کافی نیست به خوبی درک قاطع تجربی امضا از توپولوژی یا تدریج می تواند مشاهده و یا آنها عمل تنها در دماهای بسیار پایین.

"مناسب اتمی شیمی و مغناطیسی طراحی ساختار همراه اول-اصول تئوری است که این گام مهم را Duncan Haldane را نظری پیش بینی واقع گرایانه در یک درجه حرارت بالا تنظیم" گفت: Hasan. "وجود دارد صدها نفر از کاگومه آهن ربا و ما باید هر دو شهود و تجربه مواد-محاسبات خاص و شدید تجربی در نهایت تلاش برای پیدا کردن مواد مناسب برای اکتشاف در عمق. و که در زمان ما در یک دهه-سفر طولانی است."

از طریق چندین سال شدید پژوهش در چندین خانواده از topological آهن ربا (طبیعت 562 و 91 (2018); طبیعت Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. اند. 123, 196604 (2019) طبیعت دارد. 11, 559 (2020), Phys. Rev. اند. 125, 046401 (2020)) این تیم به تدریج متوجه شدم که یک ماده ساخته شده از عناصر نئودیمیم منیزیم و قلع (TbMn6Sn6) است که ایده آل کریستال با ساختار شیمیایی بکر کوانتومی خواص مکانیکی و فضایی تفکیک شبکه کاگومه لایه. علاوه بر این, آن را منحصر به فرد ویژگی های قوی out-of-plane مغناطیسی. با این ایده آل کاگومه آهنربا با موفقیت سنتز شده در بزرگ تک کریستال سطح توسط همکاران از Shuang جیا گروه در شهر پکن دانشگاه Hasan گروه شروع سیستماتیک دولت از-هنر اندازه گیری و بررسی کنید که آیا کریستال توپولوژیک و مهم تر از ویژگی های مورد نظر عجیب و غریب کوانتومی مغناطیسی دولت است.

پرینستون تیم از محققان با استفاده از یک تکنیک پیشرفته شناخته شده به عنوان اسکن میکروسکوپ تونل زنی است که قادر به کاوش الکترونیکی و چرخش wavefunctions از یک ماده در زیر اتمی در مقیاس با زیر millivolt انرژی قطعنامه. تحت این خوب تنظیم شرایط محققان شناسایی مغناطیسی شبکه کاگومه اتم ها در بلور یافته بودند که بیشتر تایید شده توسط دولت از-هنر زاویه-حل photoemission سنجی با شتاب قطعنامه.

"تعجب برای اولین بار بود که مغناطیسی شبکه کاگومه در این مواد فوق العاده تمیز در ما اسکن میکروسکوپ تونل زنی" گفت: Songtian سونیا ژانگ همکاری نویسنده از مطالعه به دست آورده که او (Ph. D.) در پرینستون در اوایل این سال است. "تجربی تجسم یک نقص-رایگان مغناطیسی, شبکه کاگومه ارائه می دهد فرصت بی سابقه ای برای کشف آن ذاتی کوانتومی توپولوژیک خواص."

واقعی لحظه جادویی بود که محققان تبدیل شده در یک میدان مغناطیسی. آنها دریافتند که الکترونیکی متحده از شبکه کاگومه زیر و بم به طور چشمگیری تشکیل تدریجی سطح انرژی در راه است که سازگار با دیراک توپولوژی. به تدریج با افزایش میدان مغناطیسی به 9 تسلا است که صدها نفر از هزاران بار بالاتر از میدان مغناطیسی زمین را, آنها به طور سیستماتیک نقشه برداری کامل تدریج از این آهنربا. "این بسیار نادر وجود دارد -- شده است یکی پیدا نشده است-برای پیدا کردن یک topological مغناطیسی سیستم های تدریجی نمودار. آن نیاز به یک نزدیک به نقص-رایگان مغناطیسی, طراحی مواد, نظریه, نظریه و برش لبه spectroscopic اندازه گیری" گفت: نانا Shumiya یک دانشجوی تحصیلات تکمیلی و همکاری نویسنده از مطالعه.

این تدریجی نمودار که تیم اندازه گیری را فراهم می کند اطلاعات دقیق آشکار است که الکترونیکی مرحله مسابقات یک نوع از این Haldane مدل. آن را تایید می کند که کریستال ویژگی های یک spin-polarized دیراک پراکندگی با Chern شکاف به عنوان انتظار می رود این نظریه برای topological آهن ربا. اما یک تکه از پازل هنوز هم گم شده است. "اگر این است که واقعا یک Chern فاصله و سپس بر اساس بنیادین توپولوژیکی فله-مرز اصل ما باید رعایت chiral (یک طرفه) متحده در لبه کریستال" حسن گفت.

قطعه نهایی به محل سقوط کرد هنگامی که محققان اسکن مرز یا لبه آهنربا. آنها دریافتند روشن امضای یک لبه دولت تنها در Chern گاف انرژی. تبلیغ کنار کریستال بدون آشکار پراکندگی (که نشان می دهد آن dissipationless شخصیت) دولت تایید شد به chiral topological لبه دولت است. تصویربرداری این کشور بی سابقه بود در هر مطالعه قبلی topological آهن ربا.

محققان بیشتر با استفاده از ابزارهای دیگر برای بررسی و یافته های خود را مجددا از Chern gapped دیراک fermions از جمله برق و حمل و نقل اندازه گیری غیر عادی هال پوسته پوسته شدن زاویه-حل photoemission سنجی از دیراک پراکندگی در حرکت فضا و اول-اصول محاسبات topological نظم در مواد ، داده های ارائه شده از یک طیف کامل از درون مرتبط شواهد اشاره به تحقق کوانتومی-حد Chern فاز در این کاگومه آهنربا. "همه قطعات متناسب با هم به یک کتاب درسی تظاهرات فیزیک Chern-gapped مغناطیسی دیراک fermions" گفت: Tyler A. کوکران, دانشجوی کارشناسی ارشد و co-نویسنده اول این مطالعه.

در حال حاضر نظری و تجربی تمرکز این گروه تغییر به ده ها تن از ترکیبات با ساختار مشابه به TbMn6Sn6 که میزبان کاگومه شبکه با انواع ساختارهای مغناطیسی هر کدام با منحصر به فرد خود کوانتومی توپولوژی. "ما تجربی تجسم کوانتومی محدود Chern فاز نشان می دهد یک proof-of-اصل روش جدید برای کشف topological آهن ربا" گفت: Jia-شین یین ارشد پژوهشگر فوق دکترا و یکی دیگر از co-نویسنده اول این مطالعه.

"این مثل این است که کشف آب در یک exoplanet - از آن باز می شود تا یک مرز جدید topological کوانتومی ماده و تحقیقات آزمایشگاهی ما در پرینستون بهینه سازی شده برای" حسن گفت.

###

مطالعه کوانتومی "-حد Chern مغناطیس در TbMn6Sn6" توسط جیا-شین یین Wenlong Ma, Tyler A. کوکران Xitong شو Songtian S. ژانگ آویزان-Ju تین نانا Shumiya Guangming چنگ کان جیانگ بیاو لیان, Zhida آهنگ Guoqing چانگ ایلیا Belopolski دانیل Multer, Maksim Litskevich, Zi-جیا چنگ شیان P. یانگ, بیانکا Swidler, Huibin ژو Hsin Lin, Titus Neupert, Ziqiang وانگ نان یائو Tay-Rong چانگ Shuang جیا و محمد زاهد حسن, شد, منتشر شده در مجله طبیعت در جولای 22, 20202. DOI: 10.1038/s41586-020-2482-7.

STM کار تجربی و نظری پیش بینی topological مواد مورد پشتیبانی توسط گوردون و بتی مور بنیاد تحت اعطای GBMF9461/HASAN. این ARPES بخشی از این آزمایش با حمایت وزارت انرژی اولیه انرژی علوم تحت اعطای سازمان حفاظت محیط زیست/BES د-FG-02-05ER46200 و د FG02-99ER45747. در پرینستون کار را تصویربرداری و تجزیه و تحلیل مرکز پشتیبانی توسط پرینستون مرکز مجتمع مواد بنیاد ملی علوم (NSF)-MRSEC برنامه تحت اعطای DMR-1420541. پشتیبانی اضافی می آید از بنیاد ملی علوم تحقیقات تکمیلی فلوشیپ برنامه تحت اعطای شماره DGE-1656466. این پژوهش با استفاده از منابع پیشرفته منبع نور سازمان حفاظت محیط زیست از علوم کاربر تسهیلات تحت اعطای د-AC02-05CH11231.