Исследователи обнаружили топологический экситонный изолятор с настраиваемым порядком импульса.
Физики из RIKEN нашли 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.
Антиферромагнитные материалы
Антиферромагнитные материалы отличаются от ферромагнитных тем, что их магнитные моменты поочерёдно направлены в противоположные стороны. Поскольку их магнитные моменты компенсируют друг друга, их можно упаковать гораздо плотнее, чем ферромагнитные материалы. Однако это же свойство затрудняет чтение и запись информации с них.
Специальный тип антиферромагнитных материалов, известный как некопланарные антиферромагнетики, в которых магнитные моменты не лежат в одной плоскости, демонстрирует лучшие свойства обоих материалов. Они имеют нулевое чистое магнитное поле в целом. Но их магнитные строительные блоки представляют собой тетраэдры, что делает их гораздо более лёгкими в управлении.
Преобразование тепла в электричество
Помимо хранения данных, антиферромагнитные материалы также перспективны для производства электричества из тепла. Они могут быть использованы в устройствах для преобразования энергии.
Команда под руководством Дуй Кхань Нгуена, работавшая в Центре изучения возникающих веществ RIKEN, 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.
Топологические материалы открывают новые горизонты в физике
Топологические материалы — это класс материалов, которые демонстрируют уникальные электронные свойства на своей границе (поверхности в трёхмерных материалах; краю в двумерных материалах), которые устойчивы к несовершенствам или возмущениям и заметно отличаются от свойств их объёма.
Топологические фазы в материалах возникают из их общих квантовых свойств, которые, в свою очередь, зависят от симметрий, структуры электронных энергетических зон и взаимодействий.
Исследователи из Принстонского университета, Пекинского технологического института, Университета Цюриха, 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 твёрдотельных 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 в результате спонтанного нарушения симметрии, предоставил новые возможности для изучения поведения коррелированных электронов. Мы искали платформы, на которых топология электронных свойств могла бы взаимодействовать с такими порядками, возникающими в результате нарушения симметрии».
Топологический экситонный изолятор
Фаза топологического экситонного изолятора — это квантовая фаза вещества, характеризующаяся коллективным изоляционным состоянием, вызванным спонтанным формированием экситонов (то есть пар «дыра-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 топологического экситонного изолятора в Ta₂Pd₃Te₅ с дополнительным поворотом. Эта фаза была обнаружена в материале, который одновременно демонстрирует нетривиальную электронную топологию.
«До сих пор не было показано, что какой-либо материал естественным образом обладает как сильными экситонными корреляциями, так и топологической зонной структурой в одной квантовой фазе», — сказал Юйсяо Цзян, соавтор исследования. «Большинство предложенных кандидатов страдают от таких осложнений, как структурные искажения, которые маскируют признаки экситонного изолятора. Это первый раз, когда мы наблюдаем, как топология и экситонная корреляция взаимодействуют в объёмном трёхмерном материале».