电子游戏正规平台人员在反铁磁性碲化铋锰构成的固态芯片中发现了一种“层”霍尔效应, 这一发现标志着一种备受追捧的拓扑轴子绝缘状态, the team reported in the journal Nature.
电子游戏正规平台人员一直试图寻找拓扑轴子绝缘(TAI)状态的证据，并在理论计算的基础上开发了一些候选材料. 分层霍尔效应代表了该状态的第一个明确的实验证据, a feature bound by the laws of quantum physics, 电子游戏软件物理学助理教授马琼说, a senior researcher on the project, which included 36 scientists from universities in the U.S., Japan, China, Taiwan, Germany, and India.
Assistant Professor of Physics Qiong Ma
Researchers believe that when it is fully understood, TAI可用于制造在电子设备中具有潜在应用的半导体, Ma said. 轴子极不寻常的性质将支持一种新的电磁响应，称为拓扑磁电效应, paving the way for realizing ultra-sensitive, ultrafast, and dissipationless sensors, detectors, and memory devices.
在物理学家和材料科学家的这条电子游戏正规平台路线的中心是轴子, 弱相互作用粒子30多年前由理论学家首次提出, Ma said. They are one of the primary candidates for Dark Matter, 一种神秘的物质形式，被认为约占宇宙的85%.
在高能物理中寻找轴子的工作正在积极进行, 最近有人提出轴子可以在固态材料中以准粒子的形式实现. 轴子的首选位置是在量子TAI材料中, 电子游戏正规平台人员认为轴子以低能电子激发的形式存在, Ma said.
“我们开始在精心设计的量子器件中寻找拓扑轴子绝缘状态，该器件由偶数层mnbi2te4或碲化铋锰制成,” Ma said. “Previous studies have demonstrated the insulating state, namely, very large resistance, which is, however, true for any insulator. 我们想进一步证明轴子绝缘体独有的特性，而这些特性在常规绝缘体中并不存在, such as diamond.”
该材料形成二维层状晶体结构, 这使得Ma和她的同事们可以用大多数药店和超市都能买到的玻璃纸胶带机械地去角质. 提出了具有偶数层的薄片状结构作为轴子绝缘体.
马与电子游戏软件的物理学家Brian Zhou和Kenneth Burch密切合作. 周使用了一种独特的量子技术来检测MnBi2Te4的磁性. Burch拥有独特的手套箱设备，用于在惰性环境中处理样品.
“我们首先用光学方法表征了层数，然后进行了电输运测量, 如测量样品在不同条件下的电阻, including varying electric field, magnetic field, and environmental temperature,” Ma said.
The researchers found the Hall effect, 一个众所周知的物理定律，在外加磁场的影响下，电子以与轴成一定角度的运动. 马说，只有这些电子在没有这种辅助的情况下运动. The key was the materials’ topology, 或者它的电子的量子特性以及它们所处的波.
“We observed a novel property for electrons travelling across this material in its Axion insulating state: The electrons do not travel in a straight line; instead, they deflect to the transverse direction. 这种效应通常只能在较大的磁场下观察到, known as the Hall effect,” Ma said. “But here, 这种偏转是由于材料的固有拓扑结构和没有外部磁场的情况下发生的. 更有趣的是，电子偏转到顶层和底层的相反方向. Therefore, we coined it as the layer Hall effect. 层霍尔效应是拓扑轴子绝缘状态的一个明显特征, which will not happen in regular insulators.”
Ma, whose research on the project is supported by the U.S. Department of Energy, 说，电子游戏正规平台小组惊奇地发现，拓扑的轴子绝缘状态和层霍尔效应可以通过所谓的轴子场有效地控制, 哪个是电场和磁场的乘积.
“这意味着电子在顶层和底层向左或向右偏转可以通过电场和磁场的集体应用来切换,” Ma said. “单一领域无法将一种情况转变为另一种情况.”
Harvard University Assistant Professor of Chemistry Suyang Xu, a lead author of the report, added, “我们对这项工作感到非常兴奋，因为它展示了拓扑轴子绝缘体状态的第一个现实平台.”
Ma说，拓扑轴子绝缘状态的识别导致下一步寻找该系统中定义轴子动力学的特征, 这被称为拓扑磁电效应.
“拓扑ME效应是一种将电转化为磁的全新机制, or vice versa, without lost energy, 具有实现超节能自旋电子和存储器件的巨大潜力,” said Ma.
为了证明这一点，需要进一步优化材料质量, the geometry of the device, and expanded experimental capabilities, Ma said.
Ed Hayward | University Communications | August 2021