Strøm tager en overraskende vej i kvantemateriale

Strøm tager en overraskende vej i kvantemateriale

Tidsstempel: 3. august 2023 kl. 12
Kildeknude: 2801583
03. august 2023 (Nanowerk nyheder) Cornell-forskere brugte magnetisk billeddannelse til at opnå den første direkte visualisering af, hvordan elektroner flyder i en speciel type isolator, og ved at gøre det opdagede de, at transportstrømmen bevæger sig gennem det indre af materialet i stedet for ved kanterne, som forskerne havde. længe antaget. Fundet giver ny indsigt i elektronadfærden i såkaldte kvante-anomale Hall-isolatorer og skulle hjælpe med at afgøre en årtier lang debat om, hvordan strømmen flyder i mere generelle kvante-Hall-isolatorer. Disse indsigter vil informere udviklingen af ​​topologiske materialer til næste generations kvanteenheder. Holdets papir udgivet i Nature Materials (“Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator”). Hovedforfatteren er Matt Ferguson, Ph.D. '22, i øjeblikket postdoc ved Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Tyskland. Projektet, ledet af Katja Nowack, assisterende professor i fysik ved College of Arts and Sciences og avisens seniorforfatter, har sin oprindelse i det, der er kendt som kvante Hall-effekten. Denne effekt blev først opdaget i 1980, når et magnetfelt påføres et bestemt materiale for at udløse et usædvanligt fænomen: Det indre af bulkprøven bliver en isolator, mens en elektrisk strøm bevæger sig i en enkelt retning langs den ydre kant. Modstandene kvantiseres eller begrænses til en værdi defineret af den fundamentale universelle konstant og falder til nul. En kvante anomal Hall-isolator, først opdaget i 2013, opnår samme effekt ved at bruge et materiale, der er magnetiseret. Kvantisering sker stadig, og langsgående modstand forsvinder, og elektronerne hastighed langs kanten uden at sprede energi, lidt som en superleder. Det er i hvert fald den populære opfattelse. »Billedet, hvor strømmen løber langs kanterne, kan rigtig fint forklare, hvordan man får den kvantisering. Men det viser sig, at det ikke er det eneste billede, der kan forklare kvantisering,” sagde Nowack. "Dette kantbillede har virkelig været det dominerende siden den spektakulære fremkomst af topologiske isolatorer, der startede i begyndelsen af ​​2000'erne. Forviklingerne ved de lokale spændinger og lokale strømme er stort set blevet glemt. I virkeligheden kan disse være meget mere komplicerede, end kantbilledet antyder.” Kun en håndfuld materialer er kendt for at være kvanteanomale Hall-isolatorer. Til deres nye arbejde fokuserede Nowacks gruppe på chrom-doteret bismuth-antimon-tellurid - den samme forbindelse, hvor den kvante-anomale Hall-effekt først blev observeret for et årti siden. Prøven blev dyrket af samarbejdspartnere ledet af fysikprofessor Nitin Samarth ved Pennsylvania State University. Til at scanne materialet brugte Nowack og Ferguson deres laboratoriums superledende kvanteinterferensenhed eller SQUID, en ekstremt følsom magnetfeltsensor, der kan fungere ved lave temperaturer for at detektere skræmmende små magnetiske felter. SQUID'en afbilder effektivt strømmen - som er det, der genererer magnetfeltet - og billederne kombineres for at rekonstruere strømtætheden. "De strømme, som vi studerer, er virkelig, virkelig små, så det er en vanskelig måling," sagde Nowack. "Og vi var nødt til at gå under én Kelvin i temperatur for at få en god kvantisering i prøven. Jeg er stolt over, at vi fik det ud af det.” Da forskerne bemærkede, at elektronerne strømmede i hovedparten af ​​materialet, ikke ved grænsekanterne, begyndte de at grave gennem gamle undersøgelser. De fandt ud af, at i årene efter den oprindelige opdagelse af kvante-Hall-effekten i 1980, var der megen debat om, hvor strømmen fandt sted - en kontrovers ukendt for de fleste yngre materialeforskere, sagde Nowack. "Jeg håber, at den nyere generation, der arbejder med topologiske materialer, tager dette arbejde til efterretning og genåbner debatten. Det er klart, at vi ikke engang forstår nogle meget grundlæggende aspekter af, hvad der sker i topologiske materialer,” sagde hun. "Hvis vi ikke forstår, hvordan strømmen flyder, hvad forstår vi så egentlig om disse materialer?" At besvare disse spørgsmål kan også være relevant for at bygge mere komplicerede enheder, såsom hybridteknologier, der kobler en superleder til en kvante-anomal Hall-isolator for at producere endnu mere eksotiske tilstande af stof. "Jeg er nysgerrig efter at undersøge, om det, vi observerer, er sandt på tværs af forskellige materialesystemer. Det kan være muligt, at strømmen i nogle materialer flyder, men alligevel anderledes," sagde Nowack. "For mig fremhæver dette skønheden ved topologiske materialer - deres adfærd i en elektrisk måling er dikteret af meget generelle principper, uafhængigt af mikroskopiske detaljer. Ikke desto mindre er det afgørende at forstå, hvad der sker på mikroskopisk skala, både for vores grundlæggende forståelse og anvendelser.

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk