Kumimaista kytkentää

Fyysikko Gang Cao ja hänen kollegansa CU Boulderista syntetisoivat eräänlaisen molekyylimehiläispesän laboratoriossaan vuonna 2020 ja he yllättyivät: Useimmissa olosuhteissa kvanttimateriaali Mn3Si2Te6 käyttäytyi paljolti kuin eriste. Kun he altistivat sen tietynlaisille magneettikentille, siitä tuli yhtäkkiä miljoonia kertoja pienempi vastus virroille. Oli melkein kuin materiaali olisi muuttunut kumista metalliksi.

"Se oli sekä hämmästyttävää että hämmentävää", sanoi professori Cao. Nyt hän ja hänen kollegansa uskovat voivansa selittää tämän hämmästyttävän käytöksen.

Tehtyjen kokeiden perusteella ryhmä raportoi, että tietyissä olosuhteissa hunajakennomainen materiaali on täynnä pieniä sisäisiä virtoja, jotka tunnetaan nimellä kiraaliset orbitaalivirrat tai silmukkavirrat. Elektronit kiertävät tämän kvanttimateriaalin jokaisen oktaedrin sisällä. Sellaisia on teoretisoitu 1990-luvulta lähtien mutta niitä ei ole aiemmin havaittu.

Cao sanoi, että ne voisivat saada aikaan hämmästyttäviä muutoksia kvanttimateriaaleissa, kuten sellaisissa, joihin hän ja hänen tiiminsä törmäsivät.

"Olemme löytäneet uuden kvanttitilan", Cao sanoi. "Sen kvanttimuutos on melkein kuin jään sulaminen vedeksi."

Tutkimus kotouttaa oudon uuden fysiikan ominaisuudessa, jota kutsutaan valtavaksi magnetoresistiksi (CMR), jota nykyään käytetään laajasti kiintolevyissä. Uusi fysiikka on kuitenkin huomattavasti erilainen kuin aiemmin tunnetuissa CMR-materiaaleissa. Muutos sähköisissä ominaisuuksissa on myös paljon äärimmäisempi kuin mitä voit nähdä missä tahansa muussa tunnetussa CMR-materiaalissa, Cao lisäsi.

Tutkijat halusivat selvittää miksi. Ryhmän teorian mukaan lukemattomat elektronit kiertävät oktaedrien reunoja kiertäen. Magneettikentän puuttuessa näillä silmukkavirroilla on taipumus pysyä epäjärjestyksessä eli virrata sekä myötä- että vastapäivään.

Mutta jos johdat sähkövirtaa kvanttimateriaaliin tietynlaisen magneettikentän läsnä ollessa, silmukkavirrat alkavat kiertää vain yhteen suuntaan. Kun tämä tapahtuu, elektronit voivat kiihdyttää kvanttimateriaalin läpi melkein kuin se olisi metallilanka.

"Oktaedrin reunoja pitkin kiertävät sisäiset silmukkavirrat ovat poikkeuksellisen herkkiä ulkoisille virroille", Cao sanoi. "Kun ulkoinen sähkövirta ylittää kriittisen kynnyksen, se häiritsee ja lopulta "sulattaa" silmukkavirrat, mikä johtaa erilaiseen elektroniseen tilaan."

Lisäksi useimmissa materiaaleissa siirtyminen elektronisesta tilasta toiseen tapahtuu melkein välittömästi tai sekunnin biljoonaosissa. Mutta hänen hunajakennossa tuo muutos voi kestää sekunteja tai jopa kauemmin.

Cao sanoi, että työ tarjoaa uuden paradigman kvanttiteknologioille.

Toistaiseksi tämä kytkentäkäyttäytyminen tapahtuu vain kylmissä lämpötiloissa. Jatkossa tutkijat etsivät materiaaleja jotka osoittavat samanlaista käyttäytymistä huoneenlämmössä.

Tutkimusartikkeli: Switchable chiral transport in charge-ordered kagome metal CsV3Sb5

Aiheesta aiemmin

Uusia materiaaliominaisuuksia elektroniikalle