Home > Media > Door Princeton geleid team ontdekt onverwacht kwantumgedrag in kagome-rooster: experimenten suggereren bewijs voor nieuwe patronen van elektronische ladingsverdeling in een kagome-materiaal waarvan de handigheid kan worden gemanipuleerd met een magnetisch veld
Schema van het nieuwe type ladingsvolgorde gezien in een Kagome-supergeleidermateriaal met een topologische bandstructuur. De donker- en lichtblauwe bollen vormen het Kagome-rooster, genoemd naar zijn gelijkenis met een Japans geweven mandenpatroon. De tint van de kleur stelt de gedeeltelijke verdeling van de lading voor. De verdeelde kleuren in het rooster illustreren het onverwachte ordeningspatroon met chiraliteit of handigheid zoals bepaald door het experiment. CREDIT Afbeelding door Y.-X. Jiang, J.-X. Yin en MZ Hasan, Princeton University |
Abstract:
Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Princeton University heeft een nieuw patroon van elektrische lading in een nieuw supergeleidend materiaal ontdekt.
Door Princeton geleid team ontdekt onverwacht kwantumgedrag in kagome-rooster: experimenten suggereren bewijs voor nieuwe patronen van elektronische ladingsverdeling in een kagome-materiaal waarvan de handigheid kan worden gemanipuleerd met een magnetisch veld
Princeton, NJ | Geplaatst op 18 juni 2021
De onderzoekers ontdekten het nieuwe type ordening in een materiaal dat atomen bevat die zijn gerangschikt in een eigenaardige structuur die bekend staat als een kagome-rooster. Hoewel onderzoekers al begrijpen hoe de spin van het elektron magnetisme kan produceren, bieden deze nieuwe resultaten inzicht in het fundamentele begrip van een ander type kwantumorde, namelijk orbitaal magnetisme, dat ingaat op de vraag of de lading spontaan in een lus kan stromen en magnetisme kan produceren dat wordt gedomineerd door verlengde orbitale beweging van elektronen in een rooster van atomen. Dergelijke orbitale stromen kunnen ongebruikelijke kwantumeffecten produceren, zoals abnormale Hall-effecten en een voorloper zijn van onconventionele supergeleiding bij relatief hoge temperaturen. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.
"De ontdekking van een nieuwe ladingsvolgorde in een Kagome-supergeleider met een topologische bandstructuur die ook afstembaar is via een magnetisch veld, is een grote stap voorwaarts die nieuwe horizonten zou kunnen ontsluiten bij het beheersen en benutten van kwantumtopologie en supergeleiding voor toekomstige fundamentele fysica en volgende- generatie apparaatonderzoek”, zegt M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins Professor of Physics aan de Princeton University, die het onderzoeksteam leidde.
De wortels van de ontdekking liggen in de werking van twee fundamentele ontdekkingen in de jaren '1980. Een daarvan is het kwantum Hall-effect - een topologisch effect dat het onderwerp is geweest van tientallen jaren lang onderzoek. Het Hall-effect was het eerste voorbeeld van hoe een tak van theoretische wiskunde, topologie genaamd, fundamenteel kon veranderen hoe de materie waaruit de wereld bestaat, kan worden beschreven en geclassificeerd. Belangrijke theoretische concepten over het gekwantiseerde Hall-effect werden in 1988 naar voren gebracht door F. Duncan Haldane, de Thomas D. Jones-hoogleraar Mathematical Physics en de Sherman Fairchild University Professor of Physics, die in 2016 de Nobelprijs ontving.
Het tweede precedent was de ontdekking van de onconventionele hoge-temperatuur-supergeleider die in 1987 het onderwerp was van de Nobelprijs. De ongebruikelijke toestand van deze supergeleiders heeft wetenschappers voor een raadsel gesteld. Belangrijke theoretische concepten over lusstromen als voorloper van onconventionele supergeleiding werden eind jaren negentig door verschillende theoretici naar voren gebracht. In beide gevallen is het belangrijkste voorstel dat de lading in een speciaal rooster kan stromen om effecten zoals orbitaal magnetisme te produceren. De directe experimentele realisatie van zo'n zeer speculatief type elektronische kwantumladingsorde is echter een enorme uitdaging.
"De realisatie van orbitaalstroomtype ladingsvolgorde zou vereisen dat de materialen zowel sterke interacties als speciale roostergeometrieën hebben die pas de laatste paar jaar zijn gerealiseerd", zei Hasan.
Door meerdere jaren van intensief onderzoek naar verschillende geometrische roostersystemen (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 (2020 ), Phys. Rev. Lett. 125, 046401 (2020), Nature 583, 533 (2020), Nature Reviews Physics 3, 249 (2021), realiseerde het team zich geleidelijk aan dat Kagome-supergeleiders een dergelijke topologische ladingsvolgorde kunnen bevatten. van supergeleiders met Kagome-roosters is de afgelopen 40 jaar ontdekt, maar geen enkele vertoonde het gewenste patroon.Een opmerkelijke Kagome-supergeleider is AV3Sb5 (A=K,Rb,Cs), waarvan vroege experimenten hebben aangetoond dat ze hints bevatten van een verborgen orde rond 80 graden Kelvin, waardoor het een plausibel platform is voor het zoeken naar de ladingsvolgorde van het topologische type.
"Supergeleiding suggereert vaak instabiliteiten voor de lading van het systeem, en het is bekend dat het Kagome-rooster een gefrustreerd roostersysteem is," zei Hasan. "De Kagome-supergeleiders kunnen verschillende exotische ladingsorden vormen, inclusief de topologische ladingsorde die verband houdt met hun wereldwijde bandstructuur. Dat leidde ons naar onze zoektocht in deze familie, hoewel het niet duidelijk was of deze supergeleiding onconventioneel was toen we aan dit materiaal begonnen te werken.”
Het Princeton-team van onderzoekers gebruikte een geavanceerde techniek die bekend staat als subatomaire resolutie scanning tunneling microscopie, die in staat is om de elektronische en spingolffuncties van materiaal op subatomaire schaal te onderzoeken met sub-millivolt energieresolutie bij temperaturen onder Kelvin. Onder deze nauwkeurig afgestemde omstandigheden ontdekten de onderzoekers een nieuw type ladingsvolgorde die chiraliteit vertoont - dat wil zeggen, oriëntatie in een bepaalde richting - in AV3Sb5.
"De eerste verrassing was dat de atomen van het materiaal zichzelf herschikken in een roosterstructuur van hogere orde (superrooster) waarvan we niet hadden verwacht dat ze er in onze gegevens zou zijn", zegt Yuxiao Jiang, een afgestudeerde student aan Princeton en een van de eerste co - auteurs van het artikel. "Zo'n superrooster is nog nooit gezien in enig ander ons bekend Kagome-systeem."
Het superrooster was de eerste hint voor de onderzoekers dat er iets onconventioneels in dit materiaal zou kunnen zitten. De onderzoekers verhoogden de temperatuur van het materiaal verder om te ontdekken dat het superrooster verdween boven de kritische temperatuur van de verborgen fase, geschat op basis van het elektrische transportgedrag van het grootste deel van het materiaal.
"Deze consistentie geeft ons het vertrouwen dat wat we hebben waargenomen eerder een fenomeen van bulkordening is dan een oppervlakte-effect", zegt Jia-Xin Yin, een geassocieerd onderzoeker en een andere co-eerste auteur van het onderzoek.
Hasan voegde toe: "Voor een bestelling voor bulklading moeten we verder onderzoeken of er een energiekloof is en of de ladingsverdeling in de echte ruimte een omkering over de energiekloof laat zien."
De onderzoekers controleerden al snel beide punten om opnieuw te bevestigen dat de onverwachte ladingsvolgorde een opvallende ladingsomkering over de energiekloof laat zien, die ook verdwijnt bij dezelfde kritische temperatuur. Het verzamelde experimentele bewijs toonde aan dat de onderzoekers een ladingsvolgorde in een kagome-materiaal hebben waargenomen, wat nog nooit is gemeld in een ander kagome-systeem.
"Nu zijn we in een positie om de grotere vraag te stellen: of het een topologische ladingsorde kan zijn?" zei Hasan.
Yin voegde toe: "Gelukkig hebben we door ons systematische onderzoek van geometrische roostersystemen in de afgelopen jaren een op vectormagnetische velden gebaseerde scanning tunneling microscopie-methodologie ontwikkeld om elk potentieel topologisch kenmerk van het materiaal te onderzoeken."
Fundamenteel leidt het magnetische veld toegepast op een elektronisch systeem tot een niet-triviale topologie: de magnetische flux quantum (h/e) en quantum Hall conductantie (Ne2/h, gerelateerd aan Chern nummer N, een topologische invariant) worden beheerst door dezelfde set van fundamentele constanten, waaronder de constante h van Planck en elementaire lading e; de vectoraard van het veld kan differentieel interageren met de chiraliteit van topologische materie om toegang te verschaffen tot effecten die verband houden met de topologische invariant.
De onderzoekers voerden experimenten uit met de ladingsvolgorde bij nul magnetisch veld, een positief magnetisch veld en een negatief magnetisch veld. "Voordat de gegevens werden verzameld, wisten we echt niet wat er zou gebeuren," zei Hasan.
Toen de experimenten eenmaal waren voltooid, zei Jiang, was het antwoord op de vraag van de topologisch-achtige ladingsvolgorde "ja".
"We ontdekten dat de ladingsvolgorde eigenlijk een detecteerbare chiraliteit vertoont, die kan worden geschakeld door het magnetische veld," zei Jiang.
De onderzoekers zijn enthousiast over hun eerste ontdekking. "Voordat de claim kon worden ingediend, moesten we dit resultaat nog steeds meerdere keren reproduceren om effecten van de scansonde uit te sluiten, die mogelijk van extrinsieke aard zijn", zei Yin.
De onderzoekers brachten verder enkele maanden door om te ontdekken dat deze door het magnetische veld schakelbare chirale ladingsvolgorde alomtegenwoordig is in KV3Sb5, RbV3Sb5 en CsV3Sb5. "Nu zijn we ervan overtuigd dat het een intrinsieke eigenschap is van deze materiaalklasse," voegde Hasan eraan toe, "En dat is heel opwindend!"
Het magnetische veld breekt expliciet de tijdomkeringssymmetrie. Daarom laat hun waarneming zien dat de chirale ladingsvolgorde in het kagome-rooster de tijdomkeringssymmetrie doorbreekt. Dit is enigszins analoog aan het Haldane-model in het honingraatrooster of het Chandra Varma-model in het CuO2-rooster.
Onderzoekers identificeerden verder de directe topologische consequentie van een dergelijke chirale ladingsvolgorde. Met behulp van eerste-principeberekeningen van de bandstructuur ontdekte het team dat deze chirale ladingsvolgorde een groot abnormaal Hall-effect met orbitaal magnetisme zal produceren, wat consistent is met het bestaande transportresultaat dat in een eerder werk anders werd geïnterpreteerd.
Nu verschuift de theoretische en experimentele focus van de groep naar de tientallen verbindingen met vlakke bandeigenschappen van het kagome-rooster en ook supergeleiding. "Dit is als het ontdekken van water in een exoplaneet - het opent een nieuwe grens van topologisch onderzoek naar kwantummaterie waar ons laboratorium in Princeton voor is geoptimaliseerd", zei Hasan.
###
Het onderzoek omvatte bijdragen van wetenschappers van Princeton University, de Universiteit van Zürich, de Universiteit van Californië-Santa Barbara, Wuhan National High Magnetic Field Center, Huazhong University of Science and Technology, het Paul Scherrer Institute, Cornell University, Nanyang Technological University, Boston College, Julius Maximilians Universiteit van Wurtzburg, Lawrence Berkeley National Laboratory en Oak Ridge National Laboratory.
Naast Yu-Xiao Jiang en Jia-Xin Yin werden gelijke bijdragen geleverd door Nana Shumiya van Princeton, M. Michael Denner van de Universiteit van Zürich, Brenden R. Ortiz van de Universiteit van Californië-Santa Barbara en Gang Xu van Huazhong Universiteit van Wetenschap en Technologie.
Experimenteel en theoretisch werk aan de Princeton University werd ondersteund door de Gordon and Betty Moore Foundation en de karakterisering van monsters werd ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie. Er werd ook steun ontvangen van de National Science Foundation, het California NanoSystems Institute, de German Research Foundation en het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie.
####
Voor meer informatie, klik hier.
Kontakte:
Catherine Zandonellaon
609-258-0541
@Prinston
Auteursrecht © Princeton University
Als u een opmerking heeft, alstublieft Contact met ons op.
Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.
Gerelateerde Links |
Gerelateerd nieuws Pers |
Nieuws en informatie
Het afstemmen van grafeen op atomaire schaal benadert de macroscopische wereld Juni 18, 2021
'Nanodecoy'-therapie bindt en neutraliseert het SARS-CoV-2-virus Juni 18, 2021
Kwantumfysica
Quantum is de sleutel tot veilige telefonische vergaderingen Juni 6, 2021
Een atoomchip-interferometer die kwantumzwaartekracht kan detecteren Juni 4, 2021
Govt.-wetgeving / verordening / financiering / beleid
'Nanodecoy'-therapie bindt en neutraliseert het SARS-CoV-2-virus Juni 18, 2021
Nieuwe vloeibare kristallen metalens biedt elektrische zoom Juni 17, 2021
Mogelijke toekomsten
Het afstemmen van grafeen op atomaire schaal benadert de macroscopische wereld Juni 18, 2021
ontdekkingen
Het afstemmen van grafeen op atomaire schaal benadert de macroscopische wereld Juni 18, 2021
Mededelingen
Interviews / Boekbesprekingen / Essays / Rapporten / Podcasts / Journals / White papers / Posters
'Nanodecoy'-therapie bindt en neutraliseert het SARS-CoV-2-virus Juni 18, 2021
Beurzen / gesponsord onderzoek / prijzen / beurzen / geschenken / wedstrijden / onderscheidingen / records
'Nanodecoy'-therapie bindt en neutraliseert het SARS-CoV-2-virus Juni 18, 2021
Quantum nanowetenschap
Quantum-besturing voor nauwkeurigere metingen April 23rd, 2021
Wetenschappers bouwen de kleinste kabel met daarin een draaischakelaar Maart 12th, 2021
Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=56730