Исследователи открыли топологический экситонный изолятор с настраиваемым порядком импульса.
Физики из RIKEN обнаружили магнитный материал, который эффективно преобразует тепло в электричество. Это делает его перспективным для использования в устройствах по сбору энергии. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Особенности магнитных материалов
Фотографии, которые вы делаете на смартфоне, сохраняются в виде последовательности нулей и единиц в ферромагнитном материале — магнитных материалах, которые напоминают железо тем, что их магнитные моменты направлены в одну сторону.
Ферромагнетики легко поддаются манипуляциям, что упрощает сохранение данных. Однако из-за того, что их магнитные моменты выровнены, они генерируют сильные магнитные поля, и поэтому их невозможно разместить в большом количестве в небольшом пространстве.
Антиферромагнитные материалы — это противоположность ферромагнитным: их магнитные моменты поочерёдно направлены в противоположные стороны. Поскольку их магнитные моменты компенсируют друг друга, их можно разместить гораздо плотнее, чем ферромагнетики. Но это же свойство затрудняет чтение и запись информации с них.
Специальный тип антиферромагнитного материала, известный как некопланарные антиферромагнетики, в которых магнитные моменты не лежат в одной плоскости, демонстрирует лучшие аспекты обоих материалов. Как и другие антиферромагнитные материалы, они имеют нулевое чистое магнитное поле в целом. Но их магнитные строительные блоки — тетраэдры, что делает их гораздо более лёгкими в управлении.
Помимо хранения данных, антиферромагнетики также перспективны для производства электричества из тепла, и поэтому их можно использовать в устройствах для преобразования энергии.
Открытие нового антиферромагнитного материала
Команда под руководством Дуй Кхань Нгуена обнаружила компенсированный антиферромагнетик с некопланарной спиновой текстурой, который демонстрирует очень высокую эффективность преобразования тепла в электричество.
«Мы были удивлены тому, насколько велика эффективность преобразования для этого материала, несмотря на то, что его общая намагниченность была крошечной», — говорит Нгуен, который сейчас работает в Токийском университете.
Когда команда смоделировала свой материал, они получили отличное согласие с экспериментальными измерениями.
Секрет высокой эффективности преобразования заключается в уникальной кристаллической, магнитной и электронной структурах материала и их симметриях. Взаимодействие между ними приводит к возникновению горячих точек «фиктивного» магнитного поля внутри материала, что, в свою очередь, вызывает высокую эффективность преобразования.
Нгуен и его команда намерены искать другие компенсированные антиферромагнетики, которые обладают ещё лучшими свойствами. Есть много возможностей для материалов с такой же структурой, поскольку три элемента, составляющие материал, можно легко заменить другими элементами.
«Химический состав этого материала очень гибкий», — отмечает Нгуен. «Регулируя его состав, мы сможем повысить эффективность преобразования».
Топологические материалы: новый класс квантовых материалов
Топологические материалы — это класс материалов, которые демонстрируют уникальные электронные свойства на своей границе (поверхность в трёхмерных материалах; край в двумерных материалах), которые устойчивы к несовершенствам или возмущениям и заметно отличаются от их объёмных свойств.
Топологические фазы в материалах возникают из-за их общих квантовых свойств, которые, в свою очередь, зависят от симметрий, структуры электронных энергетических зон и взаимодействий.
Исследователи из Принстонского университета, Пекинского технологического института, Цюрихского университета, Национальной магнитной лаборатории и других институтов недавно обнаружили одну из таких фаз, индуцированных нарушением симметрии, а именно фазу топологического экситонного изолятора в соединении Ta₂Pd₃Te₅.
Их наблюдения, изложенные в статье, опубликованной в Nature Physics, могут открыть новые возможности для изучения и проектирования квантовых фаз в твердотельных системах, что, в свою очередь, может повлиять на развитие квантовых технологий и спинтронных и экситонных устройств.
«Конкуренция или сотрудничество между различными порядками часто приводит к возникновению новых квантовых фаз», — сказал Мд Шафайат Хоссейн, первый автор статьи. «Например, в высокотемпературных сверхпроводниках и скрученном бислое графена богатый ландшафт зарядовых и спиновых порядков, возникающих из-за спонтанно нарушенных симметрий, предоставил новые возможности для изучения поведения коррелированных электронов. Мы искали платформы, на которых топология электронов могла бы взаимодействовать с такими порядками, нарушающими симметрию».
Основная цель недавнего исследования Хоссейна и его коллег состояла в том, чтобы лучше понять, как топологические свойства материалов реагируют на возникновение дополнительных нарушенных симметрий. Для этого они использовали метод, называемый сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), чтобы исследовать топологические фазы, индуцированные нарушением симметрии, в соединении Ta₂Pd₃Te₅.
«Измерения СТМ показали развитие запрещённой зоны энергии при понижении температуры ниже 100 К», — объяснил Хоссейн. «Дополнительная спектроскопия с угловым разрешением фотоэмиссии (ARPES) определила эту зону как результат нулевой конденсации экситонов с импульсом, которая нарушает зеркальную симметрию материала».
Фаза экситонного изолятора — это квантовая фаза вещества, характеризующаяся коллективным изоляционным состоянием, вызванным спонтанным образованием экситонов (т. е. пар «дырка-электрон»). Эта фаза широко обсуждалась в теории, но до сих пор её было трудно наблюдать экспериментально.
Недавняя работа Хоссейна и его коллег предоставила доказательства существования фазы экситонного изолятора в Ta₂Pd₃Te₅ с дополнительным поворотом. Специфически, эта фаза была обнаружена в сосуществовании с нетривиальной электронной топологией материала (т. е. его уже наблюдаемой топологической фазой).
«До сих пор не было показано, что какой-либо материал естественным образом содержит как сильные экситонные корреляции, так и топологическую зонную структуру в одной квантовой фазе», — сказал Юйсяо Цзян, соавтор исследования. «Большинство предложенных кандидатов страдают от таких осложнений, как структурные искажения, которые маскируют сигнатуру экситонного изолятора. Это первый раз, когда мы наблюдаем, как топология и экситонная корреляция взаимодействуют в объёмном трёхмерном материале».
Ранее исследования успешно наблюдали экситонное поведение в тщательно сконструированных двумерных гетероструктурах, таких как монослой WTe₂. Однако поведение, которое они наблюдали, зависело от искусственного ограничения электронов и дырок в очень тонком слое, толщиной в несколько атомов.
В отличие от этого, Хоссейн и его коллеги обнаружили, что Ta₂Pd₃Te₅ спонтанно претерпевает экситонную конденсацию в своей объёмной форме. Примечательно, что эта конденсация полностью обусловлена внутренними электронными взаимодействиями материала, без необходимости какого-либо вмешательства и инженерии со стороны исследователей.
«Примечательно, что мы также обнаружили вторую экситонную нестабильность — ту, которая нарушает трансляционную симметрию базового кристалла и создаёт модуляцию сверхрешётки в реальном пространстве», — добавил Цзыцзя Ченг, соавтор исследования. «Этот конденсат с конечным импульсом возникает наряду с экситонной фазой с нулевым импульсом. Наличие двух экситонных конденсатов — одного с нулевым импульсом, а другого с конечным импульсом — не наблюдалось ни в одной другой известной системе».
Это недавнее исследование открыло новый класс квантовых материалов, в которых спонтанная конденсация экситонов сосуществует с нетривиальной топологической фазой. В будущем соединение, изученное исследователями, и другие материалы, которые демонстрируют аналогичные характеристики, могут оказаться ценными для разработки различных передовых технологий, включая бездиссипативную электронику, компоненты квантовых вычислений и электрически настраиваемые оптические устройства.