Parhaat kahdesta maailmasta: Magnetismi ja Weyl -puolimetallit

Magneettisuuden ja topologian yhdistelmä johtaa uusiin tieteisiin ja sovelluksiin lämpösähköisissä, spintronisissa, valosähkö-, kvanttilaskenta- ja muissa kvanttitekniikoissa

Topologisilla materiaaleilla on erikoisia ominaisuuksia, kuten erittäin nopeat elektronit, jotka kulkevat ilman energiahäviötä. Toisaalta magneettiset materiaalit ovat välttämättömiä jokapäiväisessä elämässämme sähköautojen magneeteista spintronisiin laitteisiin tietokoneiden ja pilvien kiintolevyissä.

Weylin puolimetalli on topologisen materiaalin luokka, jossa elektroniset viritykset käyttäytyvät massattomina Weyl-fermioneina.

Magneettisen Weyl-puolimetallin (WSM) ajatus on puolestaan ollut tieteen fokuksessa jo jonkin aikaa, sillä ne ovat luontaisesti kvantteja, mutta silloittavat topologian ja spintroniikan kaksi maailmaa.

Äskettäin Max Planck Instituten Claudia Felserin ryhmä on toteuttanut Magneettisen Weyl-puolimetallin kahdessa hyvin erilaisessa yhdisteessä - Co2MnGa ja Co3Sn2S2.

Löytääkseen nämä poikkeukselliset materiaalit, tutkijaryhmä skannasi materiaalitietokantaa ja keksi listan lupaavista ehdokkaista.

Yhteistyössä kansainvälisten tutkijaryhmien kanssa Claudia Felser -ryhmän tutkijat ovat kokeellisesti vahvistaneet magneettisten Weyl-fermionien olemassaolon näissä kahdessa materiaalissa. ARPES- ja STM-tutkimusjärjestelmien avulla havaittiin ensimmäistä kertaa magneettisen Weyl-puolimetallin aika-käänteisen symmetrian murtuneet tilat.

Nämä tässä vaiheessa enemmän tieteelliset tulokset viittaavat vahvasti vuorovaikutuksessa olevien elektronien ja topologian rikkaaseen vuorovaikutukseen kvanttiaineissa.

”Magneettisten Weyl-puolimetallien löytäminen on iso askel kohti korkean lämpötilan kvantti- ja spintronisia vaikutuksia. Nämä kaksi materiaalia, jotka ovat erittäin viritettävien Heusler- ja Shandite-perheiden jäseniä, ovat ihanteelliset alustat erilaisiin tulevaisuuden sovelluksiin spintronisissa ja magneto-optisissa tekniikoissa datan tallentamiseksi ja tietojenkäsittelyyn sekä energian muuntamisjärjestelmissä”, selventää Stuart Parkin, Max Planck Institute of Microstructure Physicsin johtaja.

Tietyillä Weyl-kaistarakenteilla Co2MnGa ja Co3Sn2S2 ovat ainoat kaksi tällä hetkellä tunnettua esimerkkiä materiaaleista, joissa esiintyy sekä suuri epätavallinen Hall-johtavuus että epätavallinen Hall-kulma.

”Näillä materiaaleilla on korkean lämpötilajärjestyksen luonnollisia etuja, selkeä topologinen kaistarakenne, matala varauksenkantajatiheys ja vahva sähkömagneettinen vaste. Seuraava askel on materiaalin suunnittelu, jolla on korkean lämpötilan kvantti anomaalinen Hall-vaikutus (QAHE) magneettisen Weyl-puolimetallien kvanttirajoittamisen avulla ja sen integrointi kvanttilaitteisiin”, kertoo Claudia Felser.

Magneettisten Weyl-puolimetallien löytäminen on iso askel huonelämpötilaisen QAHE:n toteutumiseen ja on perusta myös uusille energian muunnoksen konsepteille.

QAHE:n toteuttaminen huoneenlämpötilassa ylittäisi monet nykypäivän datatekniikoiden rajoitukset, joihin vaikuttaa suuri elektronien sironnan aiheuttama tehonhäviö. Tämä tasoittaisi tietä uuden sukupolven vähän energiaa kuluttaville kvanttielektroniikalle ja spintronisille laitteille.

Aiheesta aiemmin:

Eksoottisia kvanttivaikutuksia

Edullisempaa lämpösähköä?

Kvanttimateriaali elektronisille innovaatioille