Untersuchungen zeigen, wie Topologie dazu beitragen kann, Magnetismus bei höheren Temperaturen zu erzeugen

Forscher, die seit Jahren daran arbeiten, die Elektronenanordnung und den Magnetismus in bestimmten Halbmetallen zu verstehen, waren frustriert darüber, dass die Materialien nur dann magnetische Eigenschaften aufweisen, wenn sie auf nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.

Eine neue MIT-Studie unter der Leitung von Mingda Li, außerordentlicher Professor für Nuklearwissenschaft und -technik, und Co-Autor von Nathan Drucker, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter in der Quantum Measurement Group des MIT und Ph.D. Der Student der angewandten Physik an der Harvard University stellt zusammen mit Thanh Nguyen und Phum Siriviboon, MIT-Absolventen, die in der Quantum Measurement Group arbeiten, diese gängige Meinung in Frage.

Die Open-Access-Forschung, veröffentlicht in Naturkommunikationzeigt zum ersten Mal Beweise dafür, dass die Topologie die magnetische Ordnung stabilisieren kann, sogar weit über der magnetischen Übergangstemperatur – dem Punkt, an dem der Magnetismus normalerweise zusammenbricht.

„Die Analogie, die ich gerne verwende, um zu beschreiben, warum das funktioniert, besteht darin, mir einen Fluss voller Baumstämme vorzustellen, die die magnetischen Momente im Material darstellen“, sagt Drucker, der als Erstautor der Arbeit fungierte. „Damit der Magnetismus funktioniert, müssen alle Baumstämme in die gleiche Richtung zeigen oder ein bestimmtes Muster aufweisen. Bei hohen Temperaturen sind die magnetischen Momente jedoch alle in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet, so wie die Baumstämme in einem Fluss. und der Magnetismus bricht zusammen.

„Aber was bei dieser Studie wichtig ist, ist, dass es tatsächlich das Wasser ist, das sich verändert“, fährt er fort. „Was wir gezeigt haben, ist, dass, wenn man die Eigenschaften des Wassers selbst und nicht die der Baumstämme ändert, man die Art und Weise ändern kann, wie die Baumstämme miteinander interagieren, was zu Magnetismus führt.“

Ein überraschender Zusammenhang zwischen Topologie und Magnetismus

Im Wesentlichen, sagt Li, enthüllt das Papier, wie topologische Strukturen, die als Weyl-Knoten bekannt sind und in CeAlGe – einem exotischen Halbmetall aus Cer, Aluminium und Germanium – vorkommen, die Arbeitstemperatur für magnetische Geräte erheblich erhöhen und so die Tür zu einem weiten Bereich öffnen können von Anwendungen.

Während sie bereits zum Bau von Sensoren, Gyroskopen und mehr verwendet werden, wurden topologische Materialien für eine Vielzahl zusätzlicher Anwendungen in Betracht gezogen, von der Mikroelektronik bis hin zu thermoelektrischen und katalytischen Geräten. Durch die Demonstration einer Methode zur Aufrechterhaltung des Magnetismus bei deutlich höheren Temperaturen öffnet die Studie die Tür zu noch mehr Möglichkeiten, sagt Nguyen.

„Es gibt so viele Möglichkeiten, die Menschen aufgezeigt haben – in diesem Material und anderen topologischen Materialien“, sagt er. „Dies zeigt einen allgemeinen Weg, die Arbeitstemperatur für diese Materialien erheblich zu verbessern“, fügt Siriviboon hinzu.

Dieses „ziemlich überraschende und kontraintuitive“ Ergebnis werde erhebliche Auswirkungen auf die zukünftige Arbeit an topologischen Materialien haben, fügt Linda Ye, Assistenzprofessorin für Physik in der Abteilung für Physik, Mathematik und Astronomie des Caltech, hinzu.

„Die Entdeckung von Drucker und seinen Mitarbeitern ist faszinierend und wichtig“, sagt Ye, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Ihre Arbeit legt nahe, dass elektronische topologische Knoten nicht nur eine Rolle bei der Stabilisierung statischer magnetischer Ordnungen spielen, sondern im weiteren Sinne bei der Erzeugung magnetischer Fluktuationen eine Rolle spielen können. Eine natürliche Folgerung daraus ist, dass sich die Einflüsse topologischer Weyl-Zustände auf Materialien ausweiten können.“ weit über das hinaus, was bisher angenommen wurde.

Andrei Bernevig, Professor für Physik an der Princeton University, stimmt dem zu und bezeichnete die Ergebnisse als „rätselhaft und bemerkenswert“.

„Es ist bekannt, dass Weyls-Knoten topologisch geschützt sind, aber der Einfluss dieses Schutzes auf die thermodynamischen Eigenschaften einer Phase ist nicht gut verstanden“, sagt Andrei Bernevig, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Das Papier der MIT-Gruppe zeigt, dass die Nahordnung oberhalb der Ordnungstemperatur durch einen verschachtelten Wellenvektor zwischen den Weyl-Fermionen bestimmt wird, die in diesem System auftreten … was möglicherweise darauf hindeutet, dass der Schutz der Weyl-Knoten irgendwie magnetische Fluktuationen beeinflusst!“ “

Während die überraschenden Ergebnisse das langjährige Verständnis von Magnetismus und Topologie in Frage stellen, sind sie laut Li das Ergebnis sorgfältiger Experimente und der Bereitschaft des Teams, Bereiche zu erkunden, die sonst möglicherweise übersehen würden.

„Die Annahme war, dass es oberhalb der magnetischen Übergangstemperatur nichts Neues zu entdecken gab“, erklärt Li. „Wir haben fünf verschiedene experimentelle Ansätze verwendet und konnten diese umfassende Geschichte auf konsistente Weise erstellen und dieses Puzzle zusammensetzen.“

Zusammenstellen der Hinweise

Um das Vorhandensein von Magnetismus bei höheren Temperaturen zu demonstrieren, kombinierte das Team zunächst Cer, Aluminium und Germanium in einem Ofen, um millimetergroße Kristalle des Materials zu bilden.

Diese Proben wurden dann einer Reihe von Tests unterzogen, darunter thermische und elektrische Leitfähigkeitstests, die jeweils einen Hinweis auf das ungewöhnliche magnetische Verhalten des Materials ergaben.

„Aber wir haben auch einige exotischere Methoden angewendet, um dieses Material zu testen“, sagt Drucker. „Wir trafen das Material mit einem Röntgenstrahl, der auf das gleiche Energieniveau wie das Cer im Material kalibriert war, und haben dann gemessen, wie dieser Strahl gestreut wird.“

„Diese Tests mussten in einer sehr großen Anlage, in einem nationalen Labor des Energieministeriums, durchgeführt werden“, fährt er fort. „Letztendlich mussten wir ähnliche Experimente in drei verschiedenen nationalen Labors durchführen, um zu zeigen, dass es dort diese verborgene Ordnung gibt, und so haben wir die stärksten Beweise gefunden.“

Ein Teil der Herausforderung besteht laut Nguyen darin, dass die Durchführung solcher Experimente an topologischen Materialien normalerweise sehr schwierig ist und normalerweise nur indirekte Beweise liefert.

„In diesem Fall haben wir mehrere Experimente mit verschiedenen Sonden durchgeführt, und wenn wir sie alle zusammenfügen, erhalten wir eine sehr umfassende Geschichte“, sagt er. „In diesem Fall sind es fünf oder sechs verschiedene Hinweise und eine große Liste von Instrumenten und Messungen, die in diese Studie eingeflossen sind.“

Öffnen Sie die Tür für zukünftige Studien

Künftig, sagt Li, will das Team untersuchen, ob der Zusammenhang zwischen Topologie und Magnetismus in anderen Materialien nachgewiesen werden kann.

„Wir glauben, dass dieses Prinzip allgemein gilt“, sagt er. „Wir denken also, dass dies in vielen anderen Materialien vorhanden sein könnte, was spannend ist, weil es unser Verständnis darüber erweitert, was Topologie bewirken kann. Wir wissen, dass es eine Rolle bei der Erhöhung der Leitfähigkeit spielen kann, und jetzt haben wir gezeigt, dass es dabei eine Rolle spielen kann.“ auch Magnetismus.

Weitere zukünftige Arbeiten werden sich laut Li auch mit möglichen Anwendungen topologischer Materialien befassen, einschließlich ihrer Verwendung in thermoelektrischen Geräten, die Wärme in Elektrizität umwandeln. Während solche Geräte bereits zur Stromversorgung kleiner Geräte wie Uhren eingesetzt werden, sind sie noch nicht effizient genug, um Mobiltelefone oder andere, größere Geräte mit Strom zu versorgen.

„Wir haben viele gute thermoelektrische Materialien untersucht und sie alle sind topologische Materialien“, sagt Li. „Wenn sie diese Leistung mit Magnetismus zeigen können … werden sie sehr gute thermoelektrische Eigenschaften freisetzen. Dies wird ihnen zum Beispiel helfen, bei einer höheren Temperatur zu laufen. Im Moment laufen viele nur bei sehr niedrigen Temperaturen, um Abwärme zu sammeln. Eine ganz natürliche Sache.“ Die Folge davon wäre ihre Fähigkeit, bei höheren Temperaturen zu arbeiten.“

Aufbau eines besseren Verständnisses topologischer Materialien

Letztlich, so Drucker, deuten die Forschungsergebnisse darauf hin, dass topologische Halbmetalle zwar schon seit einigen Jahren untersucht würden, man aber über ihre Eigenschaften relativ wenig verstehe.

„Ich denke, unsere Arbeit unterstreicht die Tatsache, dass, wenn man diese verschiedenen Maßstäbe betrachtet und verschiedene Experimente zur Untersuchung einiger dieser Materialien verwendet, tatsächlich einige dieser wirklich wichtigen thermoelektrischen sowie elektrischen und magnetischen Eigenschaften zum Vorschein kommen“, so Drucker sagt.

„Ich denke, es gibt nicht nur Hinweise darauf, wie wir diese Dinge für verschiedene Anwendungen nutzen können, sondern auch auf andere grundlegende Studien, um weiterzuverfolgen, wie wir diese Auswirkungen thermischer Schwankungen besser verstehen können.“

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website mit Neuigkeiten über MIT-Forschung, Innovation und Lehre.