Ученые обнаружили топологический магнит, который демонстрирует экзотические квантовые эффекты

Международная группа ученых, возглавляемая исследователями из Принстонского университета, открыла новый класс магнитов, которые демонстрируют новые квантовые эффекты, которые распространяются на комнатную температуру.

Исследователи обнаружили квантовую топологическую фазу в чистом магните. Их результаты дают представление о 30-летней теории о том, как электроны самопроизвольно квантуются, и демонстрируют метод принципа доказательства для открытия новых топологических магнитов.

Квантовые магниты являются многообещающими платформами для тока без диссипации, высокой емкости и будущих экологически чистых технологий. Исследование было опубликовано в журнале Nature на этой неделе.

Корни открытия лежат в работе квантового эффекта Холла — формы топологического эффекта, который был предметом Нобелевской премии по физике в 1985 году. Это был первый случай, когда раздел теоретической математики, названный топологией, начал фундаментально изменять то, как мы описываем и классифицируем материю, которая составляет мир вокруг нас.

С тех пор топологические фазы интенсивно изучаются в науке и технике. Было найдено много новых классов квантовых материалов с топологическими электронными структурами, включая топологические изоляторы и полуметаллы Вейля. Однако, хотя некоторые из наиболее захватывающих теоретических идей требуют магнетизма, большинство исследованных материалов были немагнитными и не имеют квантования, оставляя многие интересные возможности нереализованными.

«Открытие магнитного топологического материала с квантованным поведением является важным шагом вперед, который может открыть новые горизонты в использовании квантовой топологии для будущей фундаментальной физики и исследований устройств следующего поколения», — сказал Захид Хасан, профессор физики, который возглавлял исследовательскую группу.

В то время как экспериментальные открытия делались быстро, теоретическая физика преуспела в разработке идей, ведущих к новым измерениям. Важные теоретические представления о двумерных топологических изоляторах были выдвинуты в 1988 году  Дунканом Холдейном, который в 2016 году был удостоен Нобелевской премии по физике за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества.

Последующие теоретические разработки показали, что в топологическом магнетизме, содержащем изолятор, в особом расположении атомов, известном как решетка Кагоме, могут происходить некоторые из самых странных квантовых эффектов.

Захид Хасан и его команда десятилетиями искали топологическое магнитное квантовое состояние, которое также может работать при комнатной температуре, с тех пор как они открыли первые примеры трехмерных топологических изоляторов.

Недавно они нашли материальное решение для гипотезы Холдейна в решетчатом магните Кагоме, который способен работать при комнатной температуре, что также демонстрирует желаемое квантование.

«Решетка Кагоме может быть спроектирована так, чтобы она имела релятивистские пересечения зон и сильные электрон-электронные взаимодействия. И то, и другое важно для нового магнетизма. Поэтому мы поняли, что магниты Кагоме являются многообещающей системой для поиска топологических магнитных фаз, которые похожи на топологические изоляторы, которые мы изучали раньше «, — сказал Захид Хасан.

В течение долгого времени прямая материальная и экспериментальная визуализация этого явления оставалась неуловимой. Исследователи обнаружили, что большинство магнитов в форме Кагоме было слишком сложно синтезировать, магнетизм не был достаточно хорошо понят, никаких решающих экспериментальных признаков топологии или квантования не наблюдалось, или они были только при очень низких температурах.

«Подходящий дизайн атомной химии и магнитной структуры в сочетании с теорией первых принципов является решающим шагом к тому, чтобы сделать прогноз Дункана Холдейна реалистичным в условиях высокой температуры», — сказал Хасан. «Существуют сотни магнитов Кагоме, и нам нужны как интуиция, опыт, расчеты для конкретных материалов, так и интенсивные экспериментальные усилия, чтобы в конечном итоге найти подходящий материал для углубленного изучения. И это привело нас к десятилетнему путешествию».

В течение нескольких лет интенсивных исследований нескольких семейств топологических магнитов команда ученых постепенно осознала, что материал, состоящий из элементов тербия, магния и олова (TbMn6Sn6), имеет идеальную кристаллическую структуру с химически чистыми, квантово-механическими свойствами и пространственно сегрегированные слои решетки Кагоме.

Кроме того, он уникально отличается сильной внеплоскостной намагниченностью. С этим идеальным магнитом Кагоме, успешно синтезированным на большом монокристаллическом уровне сотрудниками группы Шуан Цзя в Пекинском университете, группа Хасана начала систематические измерения, чтобы проверить, являются ли кристаллы топологическими и, что более важно, имеют ли желаемое экзотическое квантовое магнитное состояние.

Команда исследователей из Принстона использовала продвинутую технику, известную как сканирующая туннельная микроскопия, которая способна измерять электронные и спиновые волновые функции материала в субатомном масштабе с субмилливольтным энергетическим разрешением. В этих точно настроенных условиях исследователи идентифицировали атомы магнитной решетки Кагоме в кристалле, результаты которых были подтверждены современной фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением и импульсным разрешением.

«Первым сюрпризом было то, что магнитная решетка Кагоме в этом материале очень чистая в нашей сканирующей туннельной микроскопии», — говорит Сонгтиан Сон Чжан, соавтор исследования. «Экспериментальная визуализация такой бездефектной магнитной решетки Кагоме предлагает беспрецедентную возможность исследовать ее внутренние топологические квантовые свойства».

Настоящий волшебный момент был, когда исследователи включили магнитное поле. Они обнаружили, что электронные состояния решетки Кагоме резко модулируются, образуя квантованные энергетические уровни таким образом, который согласуется с топологией Дирака. Постепенно увеличивая магнитное поле до 9 Тесла, что в сотни тысяч раз превышает магнитное поле Земли, они систематически определяли полное квантование этого магнита.

Квантованная диаграмма, измеренная командой, предоставляет точную информацию, показывающую, что электронная фаза соответствует варианту модели Холдейна. Это подтверждает, что кристалл имеет спин-поляризованную дираковскую дисперсию с энергетической щелью (энергетическая область в твердом теле, где нет электронных состояний, то есть энергетическая область, где плотность состояний обращается в нуль), как и следует из теории топологических магнитов. Однако одна часть головоломки все еще отсутствовала.

«Если это действительно энергетическая щель Черна, то, основываясь на фундаментальном топологическом принципе объемной границы, мы должны наблюдать киральные состояния (одностороннее движение) на краю кристалла», — сказал Захид Хасан.

Последняя часть головоломки встала на место, когда исследователи сканировали границу или край магнита. Они нашли четкую сигнатуру краевого состояния только в пределах энергетической щели. Распространяясь вдоль стороны кристалла без видимого рассеяния (что показывает его бездиссипативный характер), было подтверждено, что это состояние является киральным топологическим краевым состоянием. Отображение этого состояния было беспрецедентным в любом предыдущем исследовании топологических магнитов.

В настоящее время теоретический и экспериментальный интерес группы смещается на десятки соединений с аналогичными структурами TbMn6Sn6, которые содержат решетки Кагоме с различными магнитными структурами, каждая из которых имеет свою индивидуальную квантовую топологию.

«Наша экспериментальная визуализация квантовой предельной фазы Черна демонстрирует методологию доказательства принципа обнаружения новых топологических магнитов», — говорят ученые.

«Это похоже на обнаружение воды на экзопланете — работа открывает новые рубежи топологических исследований квантовых веществ, для которых наша лаборатория была оптимизирована», — сказал Захид Хасан.

Jia-Xin Yin et al, Quantum-limit Chern topological magnetism in TbMn6Sn6, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2482-7