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    Nuove proprietà topologiche trovate nel vecchio materiale di disolfuro di cobalto

    Verifica sperimentale dei nodi di Weyl in Disolfuro di Cobalto, rispetto alla previsione teorica. Credito:Dipartimento di Chimica di Princeton, Laboratorio scolastico

    Alla guida di una collaborazione di istituzioni negli Stati Uniti e all'estero, il Dipartimento di Chimica dell'Università di Princeton sta segnalando nuove proprietà topologiche della pirite magnetica Disolfuro di cobalto (CoS 2 ) che ampliano la nostra comprensione dei canali elettrici in questo materiale a lungo studiato.

    Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica risolta in angolo e calcoli ab-initio, i ricercatori che lavorano con Schoop Lab hanno scoperto la presenza di nodi Weyl in massa CoS2 che consentono loro di fare previsioni sulle sue proprietà superficiali. Il materiale ospita stati di superficie Weyl-fermioni e Fermi-arco all'interno della sua struttura a bande, che potrebbe consentirgli di fungere da piattaforma per fenomeni esotici e collocarlo tra i materiali candidati all'uso in dispositivi spintronici.

    La ricerca risolve anche un dibattito di lunga data, dimostrando che CoS 2 non è un vero mezzo metallo. Un mezzo metallo è qualsiasi sostanza che funge da conduttore per gli elettroni di un orientamento di spin ma come isolante o semiconduttore per quelli dell'orientamento opposto. Sebbene tutti i semimetalli siano ferromagnetici, la maggior parte dei ferromagneti non sono mezzi metalli. Questa scoperta che CoS 2 non è un mezzo metallo ha importanti implicazioni per i materiali e l'ingegneria dei dispositivi.

    Leslie Schoop, assistente professore di chimica alla Princeton Chemistry, definì l'opera "una riscoperta di una nuova fisica in un vecchio materiale". La ricerca è stata pubblicata questa settimana in Progressi scientifici .

    CoS 2 è stato oggetto di studio per molti decenni a causa del suo magnetismo itinerante, e dai primi anni 2000, prima che gli isolanti topologici fossero previsti e scoperti, a causa del suo potenziale per essere un mezzo metallo. I ricercatori sono stati "felici" di mettere a tacere quest'ultima discussione.

    Attraverso la ricerca Schoop, si scoprì che il materiale era un raro esempio di quel gruppo di metalli topologici magnetici proposti come agenti di conversione da carica a spin. Districando la struttura elettronica di massa e di superficie di CoS 2 , i ricercatori hanno dimostrato che esiste una relazione tra i canali elettronici nel materiale interno che può prevedere altri stati sulla sua superficie. In un materiale, una corrente elettrica può attraversare la massa o fluire lungo la superficie. I ricercatori hanno scoperto che la massa CoS 2 contiene oggetti chiamati nodi di Weyl all'interno della sua struttura che fungono da canali elettronici in grado di prevedere altri stati sulla superficie.

    "La bella fisica qui è che hai questi nodi Weyl che richiedono stati superficiali spin-polarizzati. Questi possono essere raccolti per applicazioni spintroniche, " ha detto Schoop.

    "Questi stati elettronici che esistono solo in superficie hanno la chiralità associata a loro, e a causa di quella chiralità gli elettroni possono anche muoversi solo in determinate direzioni, " ha aggiunto. "Alcune persone pensano di utilizzare questi stati chirali in altre applicazioni. Non ci sono molti materiali magnetici dove questi sono stati trovati prima."

    La chiralità si riferisce a quella proprietà che rende un oggetto o un sistema indistinguibile dalla sua immagine speculare, ad es. non sovrapponibile, ed è una proprietà importante in molti rami della scienza.

    Schoop ha aggiunto che i canali elettronici sono polarizzati. Questo magnetismo potrebbe essere potenzialmente utilizzato per manipolare il materiale:gli scienziati possono cambiare la direzione della magnetizzazione e gli stati della superficie potrebbero quindi essere riconfigurati come risposta a questo campo magnetico applicato.

    Co-autrice dell'articolo Maia Vergniory, del Centro Internazionale di Fisica di Donostia in Spagna, aggiunto, "Ci sono pochissimi materiali magnetici che sono stati misurati per avere tali stati superficiali, o archi di Fermi, e questo è come il quarto, Giusto? Così, è davvero sorprendente che siamo riusciti a misurare e comprendere i canali di rotazione in un materiale noto da così tanto tempo".

    Come colleghi nel 2016, Schoop e Vergniory hanno discusso sull'indagine sulle proprietà dei materiali di CoS 2 , in particolare se potesse essere classificato come un vero mezzo metallo. L'indagine ha attraversato diverse iterazioni dopo che Schoop è arrivato a Princeton nel 2017, ed è stato lavorato da studenti laureati sotto Schoop e sotto Vergniory a Donostia.

    Niels Schröter, un collega dell'Istituto Paul Scherrer in Svizzera e autore principale del documento, ha supervisionato il team della Swiss Light Source che ha mappato i nodi materiali di Weyl.

    "Quello che volevamo misurare non era solo la struttura elettronica della superficie, " ha detto Schröter. "Volevamo anche imparare qualcosa sulle proprietà elettroniche di massa, e per ottenere entrambe queste informazioni complementari, abbiamo dovuto utilizzare la linea di luce ADRESS specializzata presso la Swiss Light Source per sondare gli elettroni in profondità nella massa del materiale".

    Schröter ha spiegato come gli ingegneri potrebbero costruire un dispositivo lungo la strada utilizzando questo materiale.

    "Metteresti questo materiale in contatto con un altro materiale, per esempio con un isolante magnetico o qualcosa del genere in cui poi si vogliono creare onde magnetiche facendo passare una corrente elettrica attraverso di esso.

    "La bellezza di questi materiali topologici è che questi elettroni interfacciali che possono essere utilizzati per l'iniezione di spin, sono molto robusti. Non puoi liberartene facilmente. È qui che questi campi della topologia e della spintronica possono incontrarsi, perché la topologia è forse un modo per assicurarti di avere questi stati di interfaccia spin-polarizzati a contatto con altri materiali magnetici che vorresti controllare con correnti o campi".

    Scuola ha aggiunto, "Penso che questo tipo di riscoperta in questo materiale molto antico e ben studiato sia molto eccitante, e sono contento di avere questi due fantastici collaboratori che hanno contribuito a inchiodarlo".


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