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    I ricercatori scoprono un effetto di sala degli strati in un antiferromagnete Axion topologico 2D

    Credito:Unsplash/CC0 dominio pubblico

    I ricercatori hanno scoperto un effetto Hall "strato" in un chip a stato solido costruito con tellururo di bismuto di manganese antiferromagnetico, una scoperta che segnala uno stato isolante Axion topologico molto ricercato, il team riferisce nell'attuale edizione della rivista Natura .

    I ricercatori hanno cercato di trovare prove di uno stato topologico di isolamento Axion (TAI) e hanno sviluppato alcuni materiali candidati sulla base di calcoli teorici. L'effetto Hall stratificato rappresenta la prima chiara evidenza sperimentale dello stato, una caratteristica vincolata dalle leggi della fisica quantistica, secondo il Boston College Assistant Professor di Fisica Qiong Ma, un ricercatore senior del progetto, che includeva 36 scienziati delle università degli Stati Uniti, Giappone, Cina, Taiwan, Germania, e India.

    I ricercatori ritengono che quando è pienamente compreso, TAI può essere utilizzato per realizzare semiconduttori con potenziali applicazioni in dispositivi elettronici, ha detto la mamma. Le proprietà altamente insolite di Axions supporteranno una nuova risposta elettromagnetica chiamata effetto magnetoelettrico topologico, aprendo la strada alla realizzazione di ultra-sensibili, ultra veloce, e sensori senza dissipazione, rivelatori e dispositivi di memoria.

    Al centro di questa linea di indagine tra fisici e scienziati dei materiali ci sono Axions, particelle debolmente interagenti postulate per la prima volta dai teorici più di 30 anni fa, ha detto la mamma. Sono uno dei principali candidati per la materia oscura, una misteriosa forma di materia che si pensa rappresenti circa l'85 percento dell'universo.

    Mentre la ricerca di Axions nella fisica delle alte energie è attivamente in corso, è stato recentemente proposto che gli assioni possano essere realizzati come quasi-particelle in materiali allo stato solido. Il primo candidato come luogo per localizzare Axions è in un materiale TAI quantistico, dove i ricercatori suggeriscono che gli assioni esistono come eccitazioni elettroniche a bassa energia, ha detto la mamma.

    "Abbiamo deciso di cercare lo stato isolante topologico di Axion in un dispositivo quantistico accuratamente progettato fatto di MnBi2Te4 a strati pari o tellururo di bismuto di manganese, "Ma ha detto. "Studi precedenti hanno dimostrato lo stato isolante, vale a dire, resistenza molto grande, che è, però, vero per qualsiasi isolante. Volevamo dimostrare ulteriormente le proprietà che sono uniche per gli isolanti Axion e non esistono negli isolanti regolari, come il diamante".

    Il materiale forma una struttura cristallina stratificata bidimensionale, che ha permesso a Ma e ai suoi colleghi di esfoliare meccanicamente scaglie spesse come un atomo usando del nastro di cellophane che si trova nella maggior parte delle farmacie e dei supermercati. Strutture a scaglie sottili con un numero pari di strati sono state proposte per essere un isolante Axion.

    Ma ha lavorato a stretto contatto con i colleghi fisici del Boston College Brian Zhou e Kenneth Burch. Zhou ha utilizzato una tecnica quantistica unica per rilevare il magnetismo di MnBi2Te4. Burch dispone di un esclusivo vano portaoggetti utilizzato per elaborare il campione in un ambiente inerte.

    "Abbiamo prima caratterizzato il numero di strati con metodi ottici e poi abbiamo eseguito misurazioni del trasporto elettrico, come misurare la resistenza del campione in condizioni diverse, compreso il campo elettrico variabile, campo magnetico e temperatura ambientale, " disse la mamma.

    I ricercatori hanno scoperto l'effetto Hall, una ben nota legge della fisica in cui gli elettroni viaggiano ad angolo rispetto all'asse sotto l'influenza di un campo magnetico applicato. Ma in questo caso, questi elettroni viaggiavano senza tale assistenza, ha detto la mamma. La chiave era la topologia dei materiali, o le caratteristiche quantistiche dei suoi elettroni e le onde in cui funzionano.

    "Abbiamo osservato una nuova proprietà per gli elettroni che viaggiano attraverso questo materiale nel suo stato isolante Axion:gli elettroni non viaggiano in linea retta; invece, deviano nella direzione trasversale. Questo effetto è stato di solito osservato solo sotto un grande campo magnetico, noto come effetto Hall, "Ma ha detto. "Ma qui, la deflessione si verifica a causa della topologia intrinseca dei materiali e senza campo magnetico esterno. Più interessante, gli elettroni deviano ai lati opposti sugli strati superiore e inferiore. Perciò, l'abbiamo coniato come effetto Hall del livello. L'effetto Hall dello strato serve come una firma distinta dello stato isolante topologico di Axion, cosa che non accadrà negli isolanti normali."

    mamma, la cui ricerca sul progetto è supportata dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ha detto che il team è rimasto sorpreso nello scoprire che lo stato isolante topologico di Axion e l'effetto Hall dello strato possono essere efficacemente controllati dal cosiddetto campo di Axion, che è il prodotto dell'applicazione sia di un campo elettrico che di un campo magnetico.

    "Ciò significa che se gli elettroni deviano a sinistra o a destra sugli strati superiore e inferiore possono essere commutati dall'applicazione collettiva dei campi elettrici e magnetici, "Ma ha detto. "Un singolo campo non è in grado di passare da una situazione all'altra".

    Professore assistente di chimica dell'Università di Harvard Suyang Xu, un autore principale del rapporto, aggiunto, "Siamo molto entusiasti di questo lavoro perché dimostra la prima piattaforma realistica per lo stato dell'isolatore topologico di Axion".

    Ma ha detto che l'identificazione dello stato isolante topologico di Axion porta alla fase successiva di ricerca delle firme della dinamica Axion che definisce in questo sistema, che è noto come effetto magnetoelettrico topologico (ME).

    "L'effetto ME topologico è un meccanismo fondamentalmente nuovo per convertire l'elettricità in magnetismo, o vice versa, senza energia perduta, e ha un grande potenziale per realizzare dispositivi spintronici e di memoria ultra efficienti dal punto di vista energetico, " disse Ma.

    Per dimostrarlo sarà necessaria un'ulteriore ottimizzazione della qualità del materiale, la geometria del dispositivo, e ampliate le capacità sperimentali, ha detto la mamma.


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