İlerleme Yeni bir manyetik Weyl yarı metal tipinin ve dev anormal Hall etkisinin keşfi
Manyetik malzemelerdeki önemli bir elektriksel taşıma fenomeni olarak, anormal Hail etkisinin iki farklı mekanizmadan kaynaklandığına inanılmaktadır: biri, safsızlık atomlarının saçılmasının neden olduğu dışsal süreç, diğeri ise kristal bandın Bailey eğriliği tarafından tahrik edilmektedir. İçsel davranış. Momentum uzayında sözde manyetik bir alan olarak, Bailey eğriliği Bloch elektronlarının bantları arasındaki etkileşimden kaynaklanır.Üretilen içsel anormal Hall iletkenliği, kusurlara ve termal bozulmalara karşı daha dirençlidir ve daha yüksek kararlılığa ve daha fazlasına sahiptir. Cihaz uygulamalarına elverişlidir. Bu yüzyılın başında fizikçiler, manyetik malzemelerin momentum uzayındaki manyetik monopollerin içsel anormal Hall etkileri üretebileceğini keşfettiler. Şimdi, manyetik monopolün, insanların daha sonra keşfettiği Weil yarı metalindeki Weil noktası olduğu görülüyor. Bu ayrıca anormal Hall etkisinin incelenmesi için bant topolojisi teorisinin yeni bir anlayışını sağlar.
Anormal Hall etkisinin önemli bir parametresi olarak, enine Hall iletkenliğinin uzunlamasına yük iletkenliğine oranı olan anormal Hall açısı, boylamasına tahrik akımının enine Hall akımına dönüştürülebildiği verimliliği yansıtır. Büyük anormal Hall açılarına sahip malzemelerin, iki boyutlu sınırın altında kuantum anormal Hall etkisi elde etmesi bekleniyor. Bu, yeni nesil Hall cihazları, özellikle de kuantum anormal Hall cihazları için özellikle önemlidir. Büyük bir anormal Hail açısı elde etmek için, maddenin aynı anda iki koşulu karşılaması gerekir, yani (1) yüksek anormal Hall iletkenliği ve (2) düşük taşıyıcı konsantrasyonu. Geçmişte, bu tür koşulları karşılayan uygun manyetik malzeme bulunamamıştır.
Son yıllarda, topolojik fiziğin araştırma ilerlemesinde, insanlar Dirac ve Weyl yarı metalleri ile temsil edilen çeşitli topolojik izolatörler ve topolojik yarı metaller keşfettiler. Weyl yarı metalleri arasında, kütlesiz kiral Weyl fermiyonları, 2015 yılında Weyl yarı metallerinde bir araştırma patlamasını tetikleyen bir tür yarı parçacık olarak keşfedildi. Bununla birlikte, manyetik olmayan Weyl sisteminde, zaman tersine çevirme simetrisi, anormal Hall etkisini sıfıra indirirken, manyetik Weyl yarı metalinde, sıfır olmayan Bailey eğriliği güçlü bir anormal Hall etkisi oluşturabilir. Yarı metal bir malzeme olarak, Weyl yarı metal düşük bir taşıyıcı konsantrasyonuna sahiptir ve topolojik olarak korunan elektronik durumu, sistemin taşıma davranışına hakim olabilir. Bu nedenle manyetik Weyl yarı metali, büyük anormal Hall etkisi, özellikle de büyük anormal Hall açısı için ideal bir taşıyıcı sağlar. Bununla birlikte, önerilen birkaç manyetik Weyl yarı metali (Re2Ir2O7, HgCr2Se4, Co-tabanlı Heusler bileşiği, vb.) Hala deneysel olarak doğrulanmaktadır ve ideal anormal Hall etkisi gözlemlenmemiştir.
Eyalet Anahtar Manyetizma Laboratuvarı, Fizik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi / Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi'nin M05 grubu, yeni manyetik malzemelerin araştırılması ve araştırılmasıyla uğraşmaktadır. Humboldt Fonu'nun desteğiyle, bu grubun yardımcı araştırmacısı Liu Enke, manyetik topolojik malzemeler ve manyetoelektrik taşıma üzerine araştırma yapmak üzere değişim ziyaretleri için Almanya Dresden, Max-Planck Katı Hal Kimyasal Fiziği Enstitüsü'ne gitti. Son zamanlarda, Enke Liu, Shandite bileşik ailesinde yeni bir manyetik Weyl yarı metal Co3Sn2S2 türü keşfetmek için Profesör Claudia Felser ve birkaç uluslararası araştırma ekibi ile işbirliği yaptı ve içsel büyük anormal Hall iletkenliğini ve büyük anormal Hall açısını ölçtü.
Shandite bileşiği, M3M'2X2 kimyasal formülüne sahiptir (M bir geçiş metalidir, M 'bir ana grup metalidir ve X bir kalkojendir) kimyasal formül ve bir geçiş metalinden oluşan iki boyutlu bir kagome kafes yapısı içerir. Manyetik kagome kafesi, yoğunlaştırılmış madde fiziğinde spin sıvısı, kuantum anormal Hall etkisi ve manyetik Skyrmion gibi yeni madde durumlarının oluşturulması için önemli bir platformdur.Manyetik Shandite bileşiği Co3Sn2S2 ayrıca tek dönüşlü bir ferromıknatıs (yarı metal) olarak kabul edilir. Çalışma, sistem üzerinde derinlemesine bir çalışma yürüttü. Bu sistem Shandite ailesindeki en yüksek Curie sıcaklığına (175 K) sahiptir.Manyetizması Co atomlarından oluşan kagome kafesinden gelir ve manyetik moment iki boyutlu kafes düzlemine diktir. Liu Enke elektronik bant yapısını hesapladı ve spin-down kanalındaki Fermi seviyesindeki enerji boşluğunun tek spinli doğasını gözlemledi ve spin-up kanalında güçlü bir bant inversiyonu ve lineer geçiş olduğunu buldu. Bu, manyetik Weyl durumunun var olabileceği temel özelliktir.
Daha sonra Liu Enke, yüksek kaliteli tek kristal numuneler yetiştirmek için kendi kendine çözücü yöntemler kullandı. 150 K'lık geniş bir sıcaklık aralığında büyük anormal Hall iletkenliği (~ 1130-1cm-1) ve dev anormal Hall açısı (~% 20) gözlendi, bunların her ikisi de geleneksel manyetik malzemelerden daha yüksek bir büyüklük mertebesindedir. Elektriksel taşıma ölçümleri, Co3Sn2S2'nin doymamış pozitif manye direncine ve düşük taşıyıcı konsantrasyonuna sahip olduğunu ve telafi edilmiş yarı metalin özelliklerini gösterdiğini göstermektedir. Aynı zamanda, anormal Hall iletkenliğinin sıcaklığa ve uzunlamasına iletkenliğe bağımlılığı yoktur, bu da sistemin anormal Hall etkisinin birleşik modelinde içsel "Bailey fazı" bölgesinde kalmasına neden olur ve bu da sistemdeki anormal Hall etkisinin kaynaklandığını gösterir. Momentum uzayının Bailey eğriliği. Bayley eğriliği ve geniş bir sıcaklık aralığında kararlı bir şekilde bulunan düşük taşıyıcı konsantrasyonunun yarı metalik özellikleri, Co3Sn2S2'nin çok büyük bir anormal Hall açısı elde etmesini sağlar.
Araştırma, Max Planck tarafından teorik hesaplamalar yapan ve Weyl aşamasına ilişkin derinlemesine bir çalışma yürüten Dr. Sun Yan ile işbirliği yaptı. Sonuçlar, sistemin düğüm döngüsünde bandın tersine çevrilmesinin neden olduğu küçük bir enerji boşluğu açtığını, ancak yakınında zıt kiraliteye sahip 3 Weyl düğümü ürettiğini göstermektedir. Düğüm ile Fermi seviyesi arasındaki mesafe yalnızca ~ 60 meV'dir, bu da Weyl ile ilgili iletim davranışını gözlemlemeyi kolaylaştırır. Bailey'nin eğriliğine (~ 1100-1cm-1) dayalı olarak hesaplanan içsel anormal Hall iletkenliği, deneysel ölçümle oldukça tutarlıdır. Deney, Shubnikov-de Haas kuantum salınımını ve güçlü manyetik alan altında kiral anomalinin neden olduğu negatif manyetore direnç fenomenini gözlemledi ve ARPES teorik olarak beklenen enerji bandı dağılımını ve Fermi yüzey dağılımını da ölçtü. Bunlar birlikte teorik hesaplamaların doğruluğunu ve güvenilirliğini kanıtladı ve manyetik Weyl topolojik fazının varlığı için deneysel kanıt sağladı.
Bu çalışma, yeni bir manyetik Weyl yarı metal sistemi türünü keşfetmek için teorik hesaplamaları ve elektriksel taşıma ölçümlerini birleştiriyor. Topolojik fizik ve spintronikleri yakından ilişkilendiren, temel araştırma ve cihaz uygulamaları için önemli bir temel sağlayan, hem büyük anormal Hall iletkenliğine hem de büyük anormal Hall açısına sahip topolojik bir mıknatıs elde edildi. Bu araştırma aynı zamanda, yüksek sıcaklıkta kuantum anormal Hall etkisinin gerçekleştirilmesi için ideal bir taşıyıcı sağlayan manyetik kagome kafesi üzerinde Weyl fermiyonlarının keşfedildiği ilk zamandır.
İlgili araştırma 30 Temmuz 2018'de Nature Physics'te yayınlandı. Bu araştırma, Almanya Humboldt Fonu ve Çin Ulusal Vakfı'nın "Youqing" Fonu (51722106) tarafından desteklenmiştir. Bu çalışmanın sunulmasından sonra, benzer sonuçlar başka bir bağımsız araştırma ekibi tarafından da keşfedildi.
Makale bağlantısı:
Şekil 1: Co3Sn2S2 kristal yapı, yarı metal elektronik yapı ve güç aktarım işlemi
Şekil 2: Weyl düğümü, Bailey eğriliği ve anormal Hall iletkenliğinin teorik olarak hesaplanması
Şekil 3: Weyl fermiyon kiralitesinin neden olduğu negatif manyetorezistans
Şekil 5: Anormal Hall açısı ve bunun geleneksel manyetik malzemelerle karşılaştırılması
Editör: Wulixiong
En Yeni 10 Popüler Makale
Görüntülemek için başlığa tıklayın
