Области физики конденсированных сред и материаловедения тесно связаны, поскольку новая физика часто обнаруживается в материалах с особым расположением атомов. Кристаллы, которые имеют повторяющиеся единицы атомов в пространстве, могут иметь особые структуры, которые приводят к экзотическим физическим свойствам.
Особенно интересны материалы, обладающие множеством видов экзотических свойств, поскольку они дают ученым возможность изучить, как эти свойства взаимодействуют друг с другом и влияют друг на друга. Эти комбинации могут привести к неожиданным явлениям и подпитывать годы фундаментальных и технологических исследований.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances на этой неделе, международная группа ученых из США, Колумбии, Чехии, Англии и возглавляемая доктором Мажаром Н.Али из Института Макса Планка в Германии, показала, что новый материал, KV3Sb5, обладает невиданной ранее комбинацией свойств, которая приводит к одному из самых больших аномальных эффектов Холла (AHE), когда-либо наблюдавшихся; 15 500 сименсов на сантиметр при 2 Кельвинах.
KV3Sb5 объединяет четыре свойства в один материал: физику Дирака, металлический фрустрированный магнетизм, 2-D слои (как графен) и химическую стабильность.
Физика Дирака в этом контексте связана с тем фактом, что электроны в KV3Sb5 — это не просто обычные электроны; они движутся чрезвычайно быстро с очень низкой эффективной массой. Это означает, что они действуют «подобно свету»; их скорости становятся сравнимыми со скоростью света, и они ведут себя так, как будто они имеют только малую часть массы, которую они должны иметь. Это приводит к тому, что материал является сверхпрочным, что впервые было показано в графене около 15 лет назад.
«Фрустрированный магнетизм» возникает, когда магнитные моменты в материале (представьте себе маленькие стержневые магниты, которые пытаются повернуть друг друга и выстроиться с севера на юг, когда вы соединяете их вместе) расположены в особой геометрии, как треугольные сетки.
Этот сценарий может затруднить выстраивание стержневых магнитов таким образом, чтобы они все уравновешивали друг друга и были стабильными. Материалы, обладающие этим свойством, встречаются редко, особенно металлические. Большинство расстроенных магнитных материалов являются электрическими изоляторами, что означает, что их электроны неподвижны.
«Металлические фрустрированные магниты высоко ценились в течение нескольких десятилетий. По прогнозам, они могут содержать нетрадиционную сверхпроводимость, майорановские фермионы, быть полезными для квантовых вычислений и многое другое», — говорят ученые.
Структурно KV3Sb5 имеет 2-D слоистую структуру, в которой треугольные слои ванадия и сурьмы свободно укладываются поверх слоев калия. Это позволило авторам просто использовать ленту, чтобы отслаивать несколько слоев (так называемые хлопья) за один раз.
«Это было очень важно, потому что это позволило нам использовать электронно-лучевую литографию (например, фотолитографию, которая используется для изготовления компьютерных чипов, но использует электроны, а не фотоны), чтобы сделать крошечные устройства из хлопьев и измерить свойства, которые люди не могут легко измерить в объеме.- заметил ведущий автор статьи Шуо-Ин Ян из Института физики Макса Планка. «Мы были взволнованы, обнаружив, что хлопья были довольно устойчивы к процессу изготовления, что позволяет относительно легко работать с ними и исследовать множество свойств».
Вооружившись этой комбинацией свойств, команда сначала решила искать аномальный эффект Холла (AHE) в материале. Это явление заключается в том, что электроны в материале с приложенным электрическим полем (но без магнитного поля) могут отклоняться на 90 градусов различными механизмами.
«Была выдвинута теория, что металлы с треугольным расположением спинов могут иметь значительный внешний эффект, поэтому это было хорошее место для начала», — отметил Ян. Используя фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением, изготовление микроприборов и низкотемпературную систему измерения электронных свойств, ученые смогли наблюдать один из самых больших AHE, когда-либо виденных.
AHE можно разделить на две основные категории: внутренние и внешние. «Внутренний механизм похож на то, как если бы футболист сделал пас своему товарищу по команде, послав мяч или электрон вокруг некоторых защитников (без столкновения с ними). Внешнее — это как мяч, отскакивающий от защитника, или центр магнитного рассеяния, и уходящий в сторону после столкновения. Многие материалы, в которых доминируют внешние факторы, имеют случайное расположение защитников на поле, или центры магнитного рассеяния, случайно разбавленные по всему кристаллу. KV3Sb5 отличается тем, что имеет группы из 3 центров магнитного рассеяния, расположенных в треугольной сетке. В этом случае мяч рассеивается от группы защитников, а не от одного, и с большей вероятностью уйдет в сторону, чем если бы только один был на пути.» — объясняют ученые.
Это, по существу, теоретизированный механизм спин-кластерного косого рассеяния AHE, который был продемонстрирован авторами в этом материале. «Однако условие, с которым входящий мяч попадает в скопление, кажется, имеет значение; вы или я пинаем мяч, это не то же самое, как если бы, скажем, Кристиано Роналду пнул мяч. Когда Роналду пинает мяч, он движется намного быстрее и отскакивает от скопления с гораздо большей скоростью, двигаясь в сторону быстрее, чем если бы любой средний человек пнул его. Это, грубо говоря, разница между квазичастицами Дирака (Роналду) в этом материале и нормальными электронами (средний человек) и связано с тем, почему мы видим такой большой AHE».
Эти результаты могут также помочь ученым идентифицировать другие материалы с таким сочетанием ингредиентов.
Важно отметить, что та же физика, управляющая этим AHE, может также привести к очень большому спиновому эффекту Холла (SHE) — где вместо генерации ортогонального зарядового тока генерируется ортогональный спиновый ток. Это важно для вычислительных технологий следующего поколения, основанных на спине электрона, а не на его заряде.
«Это новый материал для нашей игровой площадки: физика Дирака, фрустрированный магнетизм, 2-D слои и химическая стабильность — все в одном. Есть много возможностей исследовать забавные, странные явления, такие как нетрадиционная сверхпроводимость и многое другое».
«Giant, unconventional anomalous Hall effect in the metallic frustrated magnet candidate, KV3Sb5,» Science Advances (2020). advances.sciencemag.org/lookup … .1126/sciadv.abb6003