Forskere som har jobbet i årevis for å forstå arrangementet av elektroner og magnetisme i enkelte halvmetaller har vært frustrerte over at materialene bare viser magnetiske egenskaper hvis de avkjøles til noen få grader over det absolutte nullpunktet.
En ny MIT-studie ledet av Mingda Li, førsteamanuensis i kjernefysikk og ingeniørvitenskap, og medforfatter av Nathan Drucker, utdannet forskningsassistent i MITs Quantum Measurement Group og doktorgradsstudent i anvendt fysikk ved Harvard University, sammen med Thanh Nguyen og Phum Siriliboon , en MIT-student som jobber i Quantum Measurement Group, utfordrer denne konvensjonelle visdommen.
Forskning med åpen tilgang Postet i Naturkommunikasjonviser bevis for første gang på at topologi kan stabilisere magnetisk orden, selv godt over den magnetiske overgangstemperaturen, punktet der magnetismen normalt brytes ned.
«Analogien jeg liker å bruke for å beskrive hvorfor dette fungerer, er å forestille meg en elv full av stokker, som representerer magnetiske øyeblikk i materialet,» sier Drucker, som var avisens første forfatter. «For at magnetisme skal fungere, trenger du alle de stammene som peker i samme retning eller har et bestemt mønster. Men ved høye temperaturer er de magnetiske momentene alle orientert i forskjellige retninger, slik tømmerstokker ville vært i en elv, og magnetismen brytes ned.
«Men det som er viktig med denne studien er at det faktisk er vannet som endrer seg,» fortsetter han. «Det vi har vist er at hvis du endrer egenskapene til vannet i seg selv, i stedet for tømmerstokkene, kan du endre måten tømmerstokkene samhandler med hverandre, noe som resulterer i magnetisme.»
En overraskende sammenheng mellom topologi og magnetisme
I hovedsak, sier Li, avslører papiret hvordan topologiske strukturer kjent som Weyl-knuter som finnes i CeAlGe – et eksotisk semimetall sammensatt av cerium, aluminium og germanium – kan øke arbeidstemperaturen til magnetiske enheter betydelig, og åpne døren for et bredt spekter av bruksområder. . av søknader.
Mens de allerede brukes til å bygge sensorer, gyroskoper og mer, utforskes topologiske materialer for et bredt spekter av tilleggsapplikasjoner, fra mikroelektronikk til termoelektriske og katalytiske enheter. Ved å demonstrere en metode for å opprettholde magnetisme ved betydelig høyere temperaturer, åpner studien for enda flere muligheter, sier Nguyen.
«Det er så mange muligheter som folk har demonstrert, i dette materialet og andre topologiske materialer,» sier han. «Det dette viser er en generell måte som kan forbedre arbeidstemperaturen til disse materialene betydelig,» legger Siriviboon til.
Dette «ganske overraskende og kontraintuitive» resultatet vil ha en betydelig innvirkning på fremtidig arbeid med topologiske materialer, legger Linda Ye, assisterende professor i fysikk ved Caltechs avdeling for fysikk, matematikk og astronomi, til.
«Oppdagelsen av Drucker og samarbeidspartnere er spennende og viktig,» sier Ye, som ikke var involvert i forskningen. «Deres arbeid antyder at elektroniske topologiske noder ikke bare spiller en rolle i å stabilisere statiske magnetiske ordrer, men mer generelt kan være på spill i genereringen av magnetiske svingninger. En naturlig konsekvens av dette er at påvirkningen av Weyl-topologiske tilstander på materialer kan strekke seg langt utover det man tidligere trodde.»
Princeton University fysikkprofessor Andrei Bernevig er enig, og kaller resultatene «foruroligende og bemerkelsesverdige.»
«Det er kjent at Weylsknuter er topologisk beskyttet, men påvirkningen av denne beskyttelsen på de termodynamiske egenskapene til en fase er ikke godt forstått,» sier Andrei Bernevig, som ikke var involvert i arbeidet. «MIT-gruppens papir viser at kortdistanse-bestilling, over bestillingstemperaturen, styres av en bølgevektor som er nestet blant Weyl-fermionene som vises i dette systemet … noe som kanskje antyder at beskyttelsen av Weyl-nodene på en eller annen måte påvirker de magnetiske svingningene! «
Mens de overraskende resultatene utfordrer langvarig forståelse av magnetisme og topologi, er de resultatet, sier Li, av nøye eksperimentering og teamets vilje til å utforske områder som ellers kan bli oversett.
«Antagelsen var at det ikke var noe nytt å finne over den magnetiske overgangstemperaturen,» forklarer Li. «Vi brukte fem forskjellige eksperimentelle tilnærminger og var i stand til å skape sammenhengende denne komplette historien og sette sammen dette puslespillet.»
Sett ledetrådene sammen
For å demonstrere tilstedeværelsen av magnetisme ved høyere temperaturer begynte teamet med å kombinere cerium, aluminium og germanium i en ovn for å danne millimeterstore krystaller av materialet.
Disse prøvene ble deretter utsatt for en rekke tester, inkludert termiske og elektriske konduktivitetstester, som hver avslørte en anelse om materialets uvanlige magnetiske oppførsel.
«Men vi har også tatt i bruk mer eksotiske metoder for å teste dette materialet,» sier Drucker. «Vi traff materialet med en røntgenstråle kalibrert til samme energinivå som ceriumet i materialet, og målte deretter spredningen av strålen.
«Disse testene måtte gjøres i et veldig stort anlegg, i et nasjonalt laboratorium for energidepartementet,» fortsetter han. «Til slutt måtte vi gjøre lignende eksperimenter i tre forskjellige nasjonale laboratorier for å bevise at denne skjulte ordenen eksisterer der, og det var slik vi fant de mest overbevisende bevisene.»
En del av utfordringen, sier Nguyen, er at å utføre slike eksperimenter på topologiske materialer er vanligvis svært vanskelig å gjøre og gir vanligvis bare indirekte bevis.
«I dette tilfellet var det vi gjorde flere eksperimenter med forskjellige sonder, og ved å sette dem alle sammen fikk vi en veldig komplett historie,» sier han. «I dette tilfellet er det fem eller seks forskjellige ledetråder og en lang liste med verktøy og målinger som spilte en rolle i denne studien.»
Åpner døren for fremtidige studier
Fremover, sier Li, planlegger teamet å utforske om forholdet mellom topologi og magnetisme kan demonstreres i andre materialer.
«Vi tror dette prinsippet er generelt,» sier han. «Så vi tror dette kan være tilstede i mange andre materialer, noe som er spennende fordi det utvider vår forståelse av hva topologi kan gjøre. Vi vet at det kan spille en rolle i å øke ledningsevnen, og vi har nå vist at det også kan spille en rolle i magnetisme.»
Ytterligere fremtidig arbeid, sier Li, vil også adressere mulige anvendelser av topologiske materialer, inkludert deres bruk i termoelektriske enheter som konverterer varme til elektrisitet. Selv om slike enheter allerede har blitt brukt til å drive små enheter, for eksempel klokker, er de ennå ikke effektive nok til å gi strøm til mobiltelefoner eller andre større enheter.
«Vi har studert mange gode termoelektriske materialer, og de er alle topologiske materialer,» sier Li. «Hvis de kan vise denne ytelsen med magnetisme … vil de låse opp veldig gode termoelektriske egenskaper. Dette vil for eksempel hjelpe dem med å løpe ved høyere temperatur. Foreløpig opererer mange kun ved svært lave temperaturer for å samle spillvarme. En veldig naturlig konsekvens av dette ville være deres evne til å jobbe ved høyere temperaturer.»
Bygge en bedre forståelse av topologiske materialer
Til syvende og sist, sier Drucker, fremhever forskningen det faktum at selv om topologiske halvmetaller har blitt studert i flere år, er relativt lite kjent om egenskapene deres.
«Jeg tror arbeidet vårt fremhever det faktum at når du ser på disse forskjellige skalaene og bruker forskjellige eksperimenter for å studere noen av disse materialene, er det faktisk noen av disse virkelig viktige termoelektriske og elektriske og magnetiske egenskapene som begynner å dukke opp,» sier Drucker. «Så, jeg tror det også gir et hint ikke bare om hvordan vi kan bruke disse tingene til forskjellige applikasjoner, men også mot andre grunnleggende studier for å følge opp hvordan vi bedre kan forstå disse effektene av termiske svingninger.»
Dette arbeidet ble støttet av finansiering fra U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences; National Science Foundation (NSF) designer materialer for å revolusjonere og designe vår fremtidige agenda; og en NSF Convergence Accelerator-pris.
«Ond alkoholelsker. Twitter-narkoman. Fremtidig tenåringsidol. Leser. Matelsker. Introvert. Kaffeevangelist. Typisk baconentusiast.»