Eksotisk elektronisk effekt funnet i 2D topologisk materiale

Jülich-forskere har vært i stand til å demonstrere en eksotisk elektronisk tilstand, såkalte Fermi Arcs, for første gang i et 2D-materiale. Det overraskende utseendet til Fermi-buer i et slikt materiale gir en kobling mellom nye kvantematerialer og deres respektive potensielle anvendelser i en ny generasjon spintronikk og kvantedatabehandling. Resultatene er nylig publisert i Naturkommunikasjon.

De nylig oppdagede Fermi-buene representerer spesielle—buelignende—avvik fra den såkalte Fermi-overflaten. Fermi-overflaten brukes i fysikk av kondensert stoff for å beskrive momentumfordelingen av elektroner i et metall. Normalt representerer disse Fermi-overflatene lukkede overflater. Unntak som Fermi-buene er svært sjeldne og er ofte assosiert med eksotiske egenskaper som superledning, negativ magnetoresistens og unormale kvantetransporteffekter.

Dagens teknologiutfordring er å utvikle «on-demand»-kontrollen av fysiske egenskaper i materialer. Imidlertid har slike eksperimentelle tester stort sett vært begrenset til bulkmaterialer og er store store utfordringer innen vitenskapen om kondensert materiale. Med sitt banebrytende paradigme presenterer funnene en lovende ny grense for kvantekontroll av topologiske tilstander i lavdimensjonale systemer med eksterne midler – eksternt magnetfelt som tilbyr enestående muligheter på 2D-materialer for kunstig intelligens samt fremtidig informasjonsbehandling.

Det analyserte materialet er et såkalt topologisk 2D-materiale. Topologiske materialer har spesielle egenskaper som oppstår på grunn av interaksjoner av elektronene med krystallstruktur og er beskyttet mot forstyrrende påvirkninger. 2D-materialer, derimot, er materialer som består av bare ett lag med atomer eller molekyler og som forskes intensivt på på grunn av deres uvanlige egenskaper. Et kjent eksempel er grafen, som består av ettlags karbon.

Grafen viser eksotiske fysiske egenskaper sammenlignet med bulk-motstykket. Materialet som er nevnt i papiret er et 2D-jernatomlag. Sammenlignet med grafen, er disse 2D-hybridmagnetene en klasse materialer som avslører flere nye fenomener i enkeltlagsgrensen. For eksempel kan det føre til potensielle anvendelser av den kirale anomalien i enheter og åpne et nytt forskningsområde innen de sterkt korrelerte topologiske materialene.

For arbeidet utførte forskerne eksperimenter ved Elettra Synchrotron i Trieste, Italia. Der, en internasjonalt konsortium ledet av Forschungszentrum Jülich driver det spinnoppløsende Momentum-mikroskopet ved NanoESCA-strålelinjen.

---

---