Lo stato semimetallico di Weyl viene indotto quando i moti opposti degli elettroni fanno dividere in due i coni di Dirac (illustrato a sinistra da elettroni rivolti verso l'esterno, opposto agli elettroni rivolti verso l'interno a destra). Lo stato anomalo consente un maggiore flusso elettrico con una resistenza minima. Attestazione:ORNL/Jill Hemman
L'osservazione di uno stato anomalo della materia in un materiale magnetico bidimensionale è l'ultimo sviluppo nella corsa allo sfruttamento di nuove proprietà elettroniche per dispositivi di nuova generazione più robusti ed efficienti.
La diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia (DOE) ha aiutato un team multi-istituzionale guidato dalla Tulane University a indagare su un materiale simile al grafene stronzio-manganese-antimonio (Sr 1-y mn 1-z Sb 2 ) che ospita quella che i ricercatori sospettano sia una fase semimetallica di Weyl.
Le proprietà dei semimetalli Weyl includono sia il magnetismo che il comportamento topologico dei semimetalli, in cui gli elettroni, o portatori di carica, sono quasi privi di massa e immuni ai difetti di conduzione. I risultati del team sono stati pubblicati sulla rivista Materiali della natura .
Le misurazioni della diffusione dei neutroni al reattore isotopico ad alto flusso, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL, e gli studi sul campo magnetico presso il National High Magnetic Field Laboratory della Florida State University hanno scoperto comportamenti meccanicistici chiave alla base della relazione del materiale quantistico tra trasporto di elettroni e magnetismo.
"I semimetalli Weyl sono una specie di Santo Graal in fisica in questo momento, "ha detto Alan Tennant, capo scienziato presso la direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL. "Alcuni di questi tipi di materiali mostrano un comportamento quantistico a temperatura ambiente, che è esattamente ciò che deve essere raggiunto per fornire un percorso verso l'elettronica quantistica."
Significativamente più forte dell'acciaio, e un ottimo conduttore di calore ed elettricità, il grafene è un materiale da costruzione altamente desiderabile per l'elettronica. Però, manca delle proprietà magnetiche tradizionali necessarie per ottenere un maggiore controllo sul trasporto degli elettroni. Ecco perché i ricercatori stanno cercando semimetalli Weyl, dice Qiang Zhang, uno scienziato in visita della Louisiana State University (LSU) che lavora nello Shull Wollan Center dell'ORNL, un istituto congiunto per le scienze dei neutroni.
"I semimetalli Weyl sono rari, e la maggior parte di essi non sono magnetici. Ne abbiamo trovata una magnetica, " ha detto Zhang. "Se possiamo capire meglio i comportamenti elettronici che abbiamo trovato in questo materiale, potrebbe accelerare significativamente le tecnologie dei computer e degli smartphone".
Gli elettroni nel grafene hanno una proprietà famosa:formano un "cono di Dirac", in cui il loro slancio ed energia sono correlati più o meno allo stesso modo di quanto accade nella luce.
A differenza del grafene, il materiale della squadra mostra il magnetismo tradizionale, o ferromagnetismo, il che significa che gli elettroni si allineano in una disposizione parallela come i poli nord e sud di un tipico magnete a barra. Ma mostra anche antiferromagnetismo, in cui gli elettroni puntano in direzioni opposte agli elettroni vicini.
Il magnetismo ha un effetto profondo, Tennant spiega. I moti opposti degli elettroni fanno sì che il cono di Dirac si lacera o si divida in due, in modo che si formino due nuovi coni. Questo rompe un principio noto come simmetria di inversione temporale, il che significa che il sistema non sarebbe lo stesso se il tempo fosse riavvolto. "Pensa a una trottola che va al contrario, " lui dice.
Quando i due coni rompono la simmetria di inversione temporale, inducono uno stato semimetallico di Weyl in cui gli elettroni perdono massa.
Il significato è che gli elettroni, come tante particelle, avere massa. Per questo motivo, oltre alle dimensioni sempre più piccole di transistor e materiali simili che trasportano carica, gli elettroni hanno la tendenza a creare colli di bottiglia, o creare ingorghi. Nei semimetalli Weyl, gli elettroni sono più simili a portatori di carica che si comportano come se fossero quasi privi di massa, che li rende altamente mobili.
Esaminando un piccolo, cristallo di alta qualità coltivato alla Tulane University, il team è stato in grado di determinare la struttura magnetica di Sr1-yMn1-zSb2, utilizzando neutroni allo strumento diffrattometro a quattro cerchi presso il reattore isotopico ad alto flusso.
I neutroni sono strumenti ideali per identificare e caratterizzare il magnetismo in quasi tutti i materiali, perché essi, come gli elettroni, mostrano un flusso di magnetismo chiamato "spin".
"Abbiamo scoperto due tipi di ordini ferromagnetici e abbiamo trovato la prova sperimentale della rottura della simmetria dell'inversione del tempo, probabilmente creando uno stato di Weyl in Sr1-yMn1-zSb2. Questo rende questo sistema un ottimo candidato per studiare l'effetto della rottura della simmetria dell'inversione di tempo sulla struttura elettronica della banda, " disse Zhang.
