Ein Team von Physikern unter der Leitung von Lia Krusin-Elbaum vom City College of New York hat eine neuartige Technik entwickelt, die Wasserstoffkationen (H+) verwendet, um relativistische elektronische Bandstrukturen in einem magnetischen Weyl-Halbmetall zu manipulieren – einem topologischen Material, in dem Elektronen masselose Teilchen, sogenannte Weyl-Fermionen, nachahmen . Diese Teilchen zeichnen sich durch ihre Chiralität oder „Händigkeit“ aus, die mit ihrem Spin und Impuls verknüpft ist.
Im magnetischen Material MnSb₂Te₄ enthüllten Forscher eine faszinierende Fähigkeit, die Chiralität des elektronischen Transports durch die Einführung von Wasserstoffionen „abzustimmen“ und zu verbessern und so die Energielandschaften – sogenannte Weyl-Knoten – innerhalb des Materials nach Bedarf umzugestalten. Diese Erkenntnis könnte eine Vielzahl neuer Quantengeräteplattformen eröffnen, um neue topologische Zustände für neuartige chirale Nanospintronik und fehlertolerantes Quantencomputing zu nutzen. Die Studie mit dem Titel „Transportchiralität erzeugt durch eine abstimmbare Neigung von Weyl-Knoten in einem topologischen Van-der-Waals-Magneten“ erscheint in der Zeitschrift Naturkommunikation.
Die Abstimmung der Weyl-Knoten mit H+ heilt die (Mn-Te)-Bindungsstörung des Systems und verringert die Internodienstreuung. Bei diesem Prozess – den das Team des City College im Krusin-Labor mithilfe winkelaufgelöster elektrischer Übertragung testet – bewegen sich elektrische Ladungen unterschiedlich, wenn das Magnetfeld in der Ebene im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird, wodurch wünschenswerte Ströme mit geringer Verlustleistung erzeugt werden. Die umgestalteten Weyl-Zustände zeichnen sich durch eine verdoppelte Curie-Temperatur und eine starke Winkeltransportchiralität aus, die mit einem seltenen feldantisymmetrischen Längswiderstand einhergeht – ein abstimmbarer „chiraler Schalter“ bei niedrigem Feld, der auf dem Zusammenspiel von topologischer Berry-Krümmung, chiraler Anomalie und einem Wasserstoff beruht -vermittelte Form der Weyl-Knoten.
„Der größte Fortschritt dieser Arbeit besteht darin, die Bandbreite der Designer topologischer Quantenmaterialien über den Bauplan der Natur hinaus zu erweitern. Abstimmbare topologische Bandstrukturen, die durch Wasserstoff oder andere leichte Elemente über defektbezogene Pfade ermöglicht werden, erweitern die Verfügbarkeit zugänglicher Plattformen für die Erforschung und Nutzung topologischer Phasen mit atemberaubender makroskopischer Wirkung.“ Verhaltensweisen und ebnen den Weg zu potenziell bahnbrechenden chiralitätsbasierten Implementierungen in zukünftigen Quantengeräten“, sagte Krusin-Elbaum, Professor an der Abteilung für Wissenschaft des CCNY.
Die Forschung im Krusin Lab konzentriert sich auf die Erforschung neuartiger Quantenphänomene wie den Quantum Anomalous Hall (QAH)-Effekt, der einen Isolator beschreibt, der verlustfreien Strom in diskreten Kanälen auf seinen Oberflächen leitet, 2D-Supraleitung und Axionzustandsphänomene mit quantisiertem Wärmetransport. Alle verfügen über das Potenzial, bei einer Industrialisierung energieeffiziente Technologien voranzutreiben. Krusin-Elbaum und ihr Team sagten, dass die von ihnen demonstrierte Technik sehr allgemein sei und letztendlich das Potenzial intrinsischer topologischer Magnete zur Transformation der zukünftigen Quantenelektronik erweitern könnte.
Das im CCNY ansässige Harlem Center for Quantum Materials ist Partner der Forschung. Es ist bestrebt, grundlegende Probleme in neuartigen funktionalen Materialsystemen zu lösen, die von entscheidender wissenschaftlicher und technologischer Bedeutung sind. Die Forschung wird teilweise von der National Science Foundation unterstützt.
Weitere Informationen:
Afrin N. Tamanna et al., Transportchiralität, erzeugt durch eine einstellbare Neigung von Weyl-Knoten in einem topologischen Van-der-Waals-Magneten, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53319-w