Учёные из Университета Британской Колумбии (UBC) продемонстрировали обратимый способ переключения топологического состояния квантового материала с помощью механизмов, совместимых с современными электронными устройствами. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Новый путь к более энергоэффективной электронике
Обычные электронные устройства используют токи электронов, которые тратят энергию и выделяют тепло из-за электрического сопротивления. Топологические токи защищены симметрией и обещают стать основой для новых типов электроники со значительно меньшим рассеянием энергии.
«Топологические токи защищены симметрией, и поэтому они перспективны для новых типов электроники со значительно меньшим рассеянием энергии», — говорит доктор Мейган Аронсон, научный сотрудник Института квантовой материи Стюарта Блуссона и кафедры физики и астрономии UBC.
Реверсивный топологический переход
Команда UBC добилась полного экспериментального контроля над топологической «узловой петлёй» материала, которая функционирует как круговой канал высокой проводимости для электронов. Когда атомная решётка сохраняет точную симметрию, петля остаётся открытой, позволяя электронам свободно перемещаться. Когда эта симметрия нарушается, петля разрывается и появляется большая энергетическая щель.
«Существует множество теоретических предсказаний о том, как симметрия влияет на электронные свойства, но для проверки этих предсказаний в экспериментах нам нужно иметь возможность контролируемо нарушать соответствующие симметрии и видеть, как меняются свойства. Что меня больше всего радует в нашей работе, так это то, что у нас есть материал, который позволяет нам воспроизводимо манипулировать симметрией кристаллической структуры по своему желанию», — говорит доктор Йорн Банниес, первый автор исследования и бывший доктор философии в UBC Blusson QMI.
Использование Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES)
Команда использовала ARPES для картирования того, как менялась электронная структура по мере открытия и закрытия энергетической щели в узловой петле. Этот метод обеспечивает прямое измерение энергии и импульса электронов, давая исследователям возможность наблюдать за квантовым переходом в режиме реального времени.
«ARPES была абсолютно центральной в этом исследовании. Это единственный метод, который позволяет напрямую визуализировать электронную структуру, поскольку электроны буквально появляются на экране, и вы можете наблюдать за их поведением в режиме реального времени», — сказал старший научный сотрудник доктор Маттео Микиарди.
Открытие нового материала для магнитных датчиков
Исследовательская группа NIMS разработала новый экспериментальный метод, способный быстро оценивать многочисленные составы материалов путём измерения аномальной холловской резистивности в 30 раз быстрее, чем традиционные методы.
Используя этот подход, команда систематически исследовала аномальный эффект Холла в бинарных тонких плёнках, состоящих из железа (Fe) и одного тяжёлого элемента. На основе полученных результатов была построена модель машинного обучения для прогнозирования тройных материалов, которые могут демонстрировать усиленный аномальный эффект Холла.
Система Fe–Ir–Pt (железо–иридий–платина) была идентифицирована как многообещающий кандидат, и новый материал в этой системе продемонстрировал аномальную холловскую резистивность 6,5 мкОм·см, превысив предыдущее максимальное значение 5,25 мкОм·см, наблюдаемое в бинарных системах Fe–X.
Это исследование показало, что сочетание комбинаторного экспериментального подхода, который позволяет одновременно оценивать многочисленные составы, с машинным обучением эффективно для поиска и открытия новых тонкоплёночных материалов, демонстрирующих большие аномальные эффекты Холла.
Предоставлено:
* [Университет Британской Колумбии](https://phys.org/partners/university-of-british-columbia/)
* [Национальный институт материаловедения](https://phys.org/partners/national-institute-for-materials-science/)