«Изучение сложности топологических материалов – наряду с другими интригующими возникающими явлениями, такими как магнетизм и сверхпроводимость, – является одной из самых захватывающих и сложных сфер деятельности для сообщества материаловедов в Соединенном Королевстве.S. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики ", – сказал Питер Джонсон, старший физик Отделения физики конденсированных сред и материаловедения в Брукхейвене. «Мы пытаемся понять эти топологические изоляторы, потому что у них есть много потенциальных применений, особенно в квантовой информатике, важной новой области для подразделения."
Например, материалы с этим разделенным типом диэлектрика / проводника демонстрируют разделение энергетических сигнатур их поверхностных электронов с противоположным «спином».«Это квантовое свойство потенциально может быть использовано в спинтронных устройствах для кодирования и передачи информации.
Сделав еще один шаг, связь этих электронов с магнетизмом может привести к новым и захватывающим явлениям.
«Когда у вас есть магнетизм вблизи поверхности, вы можете иметь эти другие экзотические состояния материи, которые возникают из-за связи топологического изолятора с магнетизмом», – сказал Дэн Невола, научный сотрудник, работающий с Джонсоном. «Если мы сможем найти топологические изоляторы с их собственным магнетизмом, мы сможем эффективно транспортировать электроны с определенным спином в определенном направлении."
В новом исследовании, только что опубликованном и отмеченном как предложение редактора в Physical Review Letters, Невола, Джонсон и их соавторы описывают причудливое поведение одного такого магнитного топологического изолятора. В статье представлены экспериментальные доказательства того, что собственный магнетизм в основной части теллурида марганца-висмута (MnBi2Te4) также распространяется на электроны на его электропроводящей поверхности. Предыдущие исследования не дали окончательных выводов относительно того, существует ли поверхностный магнетизм.
Но когда физики измерили чувствительность поверхностных электронов к магнетизму, только одно из двух наблюдаемых электронных состояний вело себя так, как ожидалось. Другое состояние поверхности, которое, как ожидалось, должно было иметь больший отклик, действовало так, как будто магнетизма не было.
"Разве магнетизм другой на поверхности?
Или есть что-то экзотическое, чего мы просто не понимаем?"Невола сказал.
Джонсон склоняется к экзотическому физическому объяснению: «Дэн провел этот очень осторожный эксперимент, который позволил ему взглянуть на активность в поверхностной области и идентифицировать два различных электронных состояния на этой поверхности, одно, которое может существовать на любой металлической поверхности, а другое – отражать топологические свойства материала ", – сказал он. "Первый был чувствителен к магнетизму, что доказывает, что магнетизм действительно существует на поверхности.
Однако другой, который, как мы ожидали, будет более чувствительным, не имел вообще никакой чувствительности. Итак, должна быть какая-то экзотическая физика!"
Измерения
Ученые изучили материал с помощью различных типов фотоэмиссионной спектроскопии, где свет от ультрафиолетового лазерного импульса сбивает электроны с поверхности материала и попадает в детектор для измерения.
«В одном из наших экспериментов мы используем дополнительный инфракрасный лазерный импульс, чтобы дать образцу небольшой толчок для перемещения некоторых электронов перед выполнением измерения», – пояснил Невола. "Требуется часть электронов и подбрасывает их [вверх по энергии], чтобы они стали проводящими электронами. Затем в очень, очень короткие промежутки времени – пикосекунды – вы проводите измерения, чтобы посмотреть, как изменились электронные состояния в ответ."
Карта уровней энергии возбужденных электронов показывает две отдельные поверхностные полосы, каждая из которых отображает отдельные ветви, электроны в каждой ветви имеют противоположный спин.
Обе полосы, каждая из которых представляет одно из двух электронных состояний, должны были реагировать на присутствие магнетизма.
Чтобы проверить, действительно ли эти поверхностные электроны чувствительны к магнетизму, ученые охладили образец до 25 Кельвинов, позволив проявиться его внутреннему магнетизму. Однако только в нетопологическом электронном состоянии они наблюдали «разрыв», открывающийся в ожидаемой части спектра.
«Внутри таких зазоров запрещено существовать электронам, и поэтому их исчезновение из этой части спектра представляет собой признак зазора», – сказал Невола.
Наблюдение зазора, возникающего в регулярном поверхностном состоянии, было окончательным доказательством магнитной чувствительности – и свидетельством того, что магнетизм, присущий основной массе этого конкретного материала, распространяется на его поверхностные электроны.
Однако изученное учеными «топологическое» электронное состояние не показало такой чувствительности к магнетизму – нет разрыва.
"Это немного вопросительный знак", – сказал Джонсон.
«Это свойства, которые мы хотели бы понять и спроектировать, так же как мы разрабатываем свойства полупроводников для различных технологий», – продолжил Джонсон.
В спинтронике, например, идея состоит в том, чтобы использовать разные спиновые состояния для кодирования информации таким же образом, как положительные и отрицательные электрические заряды в настоящее время используются в полупроводниковых устройствах для кодирования «битов» – единиц и нулей – компьютерного кода. Но спин-кодированные квантовые биты или кубиты имеют гораздо больше возможных состояний, а не только два.
Это значительно расширит возможности кодирования информации новыми и мощными способами.
«Все в магнитных топологических изоляторах выглядит так, будто они подходят для такого рода технологических применений, но этот конкретный материал не совсем соответствует правилам», – сказал Джонсон.
Итак, теперь, когда команда продолжает поиск новых состояний материи и дальнейшее понимание квантового мира, возникла новая необходимость объяснить причудливое квантовое поведение этого конкретного материала.