Questo mostra la diffrazione dei raggi X su un singolo cristallo di un materiale antiferromagnetico. Questo materiale, scienziati hanno scoperto, presenta un effetto Hall anomalo estremamente grande, un segno del suo carattere topologico. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
Gli scienziati di Argonne hanno identificato una nuova classe di materiali topologici realizzati inserendo atomi di metalli di transizione nel reticolo atomico di un noto materiale bidimensionale.
Negli ultimi anni, gli scienziati sono rimasti incuriositi da un nuovo tipo di materiale che mostra una sorta di comportamento insolito e diviso. Queste strutture, chiamati materiali topologici, possono dimostrare proprietà diverse alla loro superficie che alla loro massa. Questo comportamento ha attirato l'attenzione di scienziati interessati a nuovi stati della materia e tecnologi interessati a potenziali applicazioni elettroniche e spintroniche.
In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), gli scienziati hanno identificato una nuova classe di materiali topologici realizzati inserendo atomi di metalli di transizione nel reticolo atomico del diseleniuro di niobio (NbS 2 ), un noto materiale bidimensionale. Hanno scoperto che CoNb 3 S 6 , un materiale antiferromagnetico, presenta un effetto Hall anomalo estremamente grande, un segno del carattere topologico dei materiali.
L'effetto Hall ordinario si verifica in tutti i conduttori elettrici. L'effetto è essenzialmente una forza che un elettrone sperimenta mentre si muove attraverso un campo magnetico. "In ogni metallo, gli elettroni verranno spinti perpendicolarmente alla loro direzione di marcia e perpendicolari a un campo magnetico esterno applicato, creando una tensione, " disse Nirmal Ghimire, un assistente professore alla George Mason University e un recente borsista post-dottorato del direttore di Argonne che è stato il primo autore dello studio. "Se il materiale stesso è un ferromagnete, un contributo aggiuntivo si sovrappone alla tensione di Hall ordinaria; questo è noto come effetto Hall anomalo (AHE)."
Nello studio, Ghimire e i suoi colleghi hanno esaminato CoNb 3 S 6 e ho trovato qualcosa di inaspettato:un grande AHE in modesti campi magnetici. "Un AHE può essere trovato anche in materiali in cui la struttura elettronica ha caratteristiche speciali note come caratteristiche topologiche, " ha detto Ghimire. "La configurazione degli atomi nel reticolo crea simmetrie nel materiale che portano alla creazione di bande topologiche, regioni energetiche che abitano gli elettroni. Sono queste bande, in determinate configurazioni, che può portare a un AHE eccezionalmente grande."
Sulla base di calcoli e misurazioni, Ghimire e i suoi colleghi suggeriscono che CoNb 3 S 6 contiene queste bande topologiche.
"Le caratteristiche topologiche derivano da una combinazione della simmetria del materiale, così come la giusta concentrazione di elettroni per mettere queste caratteristiche topologiche al livello di Fermi, che è lo stato energetico elettronico più alto disponibile a temperatura zero, " ha osservato John Mitchell, direttore ad interim della divisione Scienza dei materiali di Argonne e coautore dello studio.
"Finora solo una manciata di materiali ha dimostrato di avere i punti topologici caratteristici necessari vicino al livello di Fermi, " Ha detto Mitchell. "Per trovare di più è necessaria la comprensione sia della fisica dei materiali che della chimica in gioco".
La scoperta potrebbe aprire la strada a futuri progressi in un'ampia classe di materiali, secondo Mitchell. "Ora abbiamo una regola di progettazione per realizzare materiali che dimostrino queste proprietà, " ha detto. "CoNb 3 S 6 è un membro di una grande classe di materiali bidimensionali stratificati e quindi questo potrebbe aprire la porta a un grande spazio di nuova materia topologica".
