Ключом к такому поведению является топология – раздел математики, который, как уже известно, играет важную роль в определении поведения электронов в кристаллах. Топологические материалы могут содержать безмассовые частицы в виде света или фотонов.
В топологическом кристалле электроны часто ведут себя как замедленный свет, но, в отличие от света, несут электрический заряд.
Топология магнитных материалов наблюдается редко, и открытие магнитного топологического материала при комнатной температуре – это шаг вперед, который может открыть новые подходы к использованию топологических материалов для будущих технологических приложений.
«До этой работы доказательства топологических свойств магнитов в трех измерениях были неубедительными. Эти новые результаты дают нам прямые и решающие доказательства этого явления на микроскопическом уровне », – сказал М. Захид Хасан, профессор физики Юджина Хиггинса из Принстона, который руководил исследованием. «Эта работа открывает новый континент для исследования топологических магнитов."
Хасан и его команда потратили более десяти лет на изучение материалов-кандидатов в поисках топологического магнитного квантового состояния.
"Физика объемных магнитов была изучена на протяжении многих десятилетий.
У нас возникает естественный вопрос: могут ли магнитные и топологические свойства вместе создавать что-то новое в трех измерениях??"Хасан сказал.
Исследователи обнаружили, что существуют тысячи магнитных материалов, но большинство из них не обладает нужными свойствами.
Магниты было слишком сложно синтезировать, магнетизм не был достаточно хорошо изучен, магнитная структура была слишком сложной, чтобы моделировать теоретически, или невозможно было наблюдать решающие экспериментальные признаки топологии.
Затем наступил счастливый поворотный момент.
«Изучив множество магнитных материалов, мы выполнили измерения на классе магнитов при комнатной температуре и неожиданно увидели сигнатуры безмассовых электронов», – сказал Илья Белопольский, научный сотрудник лаборатории Хасана и соавтор исследования. "Это поставило нас на путь к открытию первой трехмерной топологической магнитной фазы."
Экзотический магнитный кристалл состоит из кобальта, марганца и галлия, расположенных в упорядоченном повторяющемся трехмерном узоре. Чтобы изучить топологическое состояние материала, исследователи использовали метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением.
В этом эксперименте на образец падает свет высокой интенсивности, заставляя электроны излучаться с поверхности. Затем эти испускаемые электроны можно измерить, предоставив информацию о том, как электроны вели себя, когда они находились внутри кристалла.
«Это чрезвычайно мощный экспериментальный метод, который в данном случае позволил нам непосредственно наблюдать, как электроны в этом магните ведут себя так, как будто они безмассовые. Эти безмассовые электроны известны как фермионы Вейля », – сказал Дэниел Санчес, исследователь из Принстона и доктор философии.D. студент Копенгагенского университета и еще один соавтор исследования.
Ключевое открытие произошло, когда исследователи более внимательно изучили фермионы Вейля и поняли, что в магните находится бесконечная серия отдельных безмассовых электронов, которые принимают форму петли, причем некоторые электроны имитируют свойства частиц, а некоторые – античастиц. Такое коллективное квантовое поведение электронов получило название магнитной топологической фермионной петли Вейля.
«Это действительно экзотическая и новая система», – сказал Гуоцин Чанг, доктор наук в группе Хасана и соавтор исследования. "Коллективное поведение электронов в этих частицах не похоже ни на что знакомое нам из повседневного опыта – или даже из опыта физиков элементарных частиц, изучающих субатомные частицы. Здесь мы имеем дело с эмерджентными частицами, подчиняющимися разным законам природы."
Оказывается, ключевым фактором этих свойств является математическая величина, описывающая бесконечный ряд безмассовых электронов. Исследователи смогли определить роль топологии, наблюдая тонкие изменения в различии в поведении электронов, живущих на поверхности образца и глубже в его недрах.
Методика демонстрации топологических величин через контраст поверхностных и объемных свойств была впервые предложена группой Хасана и использовалась для обнаружения фермионов Вейля, открытие было опубликовано в 2015 году. Команда недавно использовала аналогичный подход для открытия топологического хирального кристалла, работа, опубликованная в журнале Nature ранее в этом году, также возглавлялась группой Хасана в Принстоне и включала Даниэля Санчеса, Гуоцин Чанга и Илья Белопольски в качестве ведущих авторов.
Теоретические предсказания
Связь между топологией и частицами магнитной квантовой петли была исследована в теоретических предсказаниях группы Хасана, опубликованных в октябре 2017 года в Physical Review Letters. Тем не менее, теоретический интерес группы к топологическим магнитам уходит корнями в прошлое, когда появились теоретические предсказания, опубликованные в журнале Nature Materials в 2010 году. Эти теоретические работы группы Хасана финансировались U.S.
Офис фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики.
«Эта работа представляет собой кульминацию примерно десятилетия попыток реализовать топологическую магнитную квантовую фазу в трех измерениях», – сказал Хасан.
В 2016 году Дункан Холдейн, профессор физики из Принстонского университета Шермана Фэирчайлда, получил Нобелевскую премию по физике за свои теории, предсказывающие свойства одномерных и двумерных топологических материалов.
Важным аспектом результата является то, что материал сохраняет свой магнетизм до 400 градусов Цельсия, что значительно выше комнатной температуры, что удовлетворяет ключевому требованию для реальных технологических приложений.
«До нашей работы топологические магнитные свойства обычно наблюдались, когда тонкие пленки материалов были чрезвычайно холодными – на долю градуса выше абсолютного нуля – и требовалось специализированное оборудование просто для достижения необходимых температур. "Даже небольшое количество тепла термически дестабилизирует топологическое магнитное состояние", – сказал Хасан. "Изучаемый здесь квантовый магнит проявляет топологические свойства при комнатной температуре."
Топологический магнит в трех измерениях проявляет свои самые экзотические признаки только на своей поверхности – электронные волновые функции принимают форму барабанных пластинок.
Это беспрецедентно для ранее известных магнитов и является отличительной чертой топологического магнита. Исследователи наблюдали такие электронные состояния в форме барабанной головки в своих данных, что стало решающим доказательством того, что это новое состояние материи.
Патрик Ли, профессор физики в Массачусетском технологическом институте Уильяма и Эммы Роджерс, не принимавший участия в исследовании, прокомментировал важность открытия. «Принстонская группа уже давно находится в авангарде открытия новых материалов с топологическими свойствами», – сказал Ли. "Распространяя эту работу на ферромагнетик комнатной температуры и демонстрируя существование нового типа состояний поверхности барабанной перемычки, эта работа открывает новую область для дальнейших открытий."
Чтобы понять свои выводы, исследователи изучили расположение атомов на поверхности материала, используя несколько методов, таких как проверка симметрии с помощью сканирующего туннельного микроскопа в Лаборатории топологической квантовой материи и расширенной спектроскопии Хасана, расположенной в подвале.
Джадвин Холла Принстона.
Важный вклад в открытие внесло новейшее спектроскопическое оборудование, использованное для проведения эксперимента.
Исследователи использовали специальный канал для фотоэмиссионной спектроскопии, недавно построенный в Стэнфордском источнике синхротронного излучения, входящем в Национальную ускорительную лабораторию SLAC в Менло-Парке, Калифорния.
«Свет, использованный в эксперименте по фотоэмиссии SLAC, чрезвычайно яркий и фокусируется в крошечное пятно диаметром всего несколько десятков микрометров», – сказал Белопольский. "Это было важно для исследования."
Работа проводилась в тесном сотрудничестве с группой профессора Синь Линя из Института физики Академии Синица на Тайване и профессора Клаудии Фельзер из Института химической физики твердого тела Макса Планка в Дрездене, Германия, включая научного сотрудника с докторской степенью Каустова. Манна как соавтор.
Движимые дразнящей возможностью применения, исследователи пошли еще дальше и применили электромагнитные поля к топологическому магниту, чтобы посмотреть, как он отреагирует.
Они наблюдали экзотический электромагнитный отклик вплоть до комнатной температуры, который можно напрямую проследить до электронов квантовой петли.
«У нас есть много топологических материалов, но среди них было трудно показать четкий электромагнитный отклик, связанный с топологией», – добавил Хасан. "Здесь мы смогли это сделать. Это открывает совершенно новую область исследований топологических магнитов."