Un team di fisici statunitensi e coreani ha trovato la prima prova di un materiale bidimensionale che può diventare un isolante topologico magnetico anche quando non è posto in un campo magnetico.

"Nel grafene sono note molte proprietà quantistiche e relativistiche degli elettroni in movimento, e le persone sono state interessate, 'Possiamo vederli in materiali magnetici che hanno strutture simili?'", ha detto Pengcheng Dai della Rice University, coautore di uno studio sul materiale pubblicato sulla rivista dell'American Physical Society PRX . Dai, il cui team includeva scienziati di Rice, Università della Corea, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e il National Institute of Standards and Technology, detto il triioduro di cromo (CrI ₃ ) utilizzato nel nuovo studio "è proprio come il nido d'ape del grafene, ma è un nido d'ape magnetico."

Negli esperimenti presso la Spallation Neutron Source di ORNL, cri ₃ i campioni sono stati bombardati con neutroni. Un'analisi spettroscopica eseguita durante i test ha rivelato la presenza di eccitazioni di spin collettive chiamate magnon. Rotazione, una caratteristica intrinseca di tutti gli oggetti quantistici, è un attore centrale nel magnetismo, ei magnon rappresentano un tipo specifico di comportamento collettivo degli elettroni sugli atomi di cromo.

"La struttura di questo magnon, come si muove l'onda magnetica in questo materiale, è abbastanza simile a come le onde degli elettroni si muovono nel grafene, " disse Dai, professore di fisica e astronomia e membro del Center for Quantum Materials (RCQM) di Rice.

Sia il grafene che il CrI3 contengono punti Dirac, che esistono solo nelle strutture a banda elettronica di alcuni materiali bidimensionali. Chiamato per Paul Dirac, che ha contribuito a riconciliare la meccanica quantistica con la relatività generale negli anni '20, I punti di Dirac sono caratteristiche in cui gli elettroni si muovono a velocità relativistiche e si comportano come se avessero massa zero. Il lavoro di Dirac ha svolto un ruolo fondamentale nella comprensione da parte dei fisici sia dello spin degli elettroni che del comportamento degli elettroni negli isolanti topologici 2-D, materiali bizzarri che hanno attirato il Premio Nobel 2016 per la Fisica.

Gli elettroni non possono fluire attraverso isolanti topologici, ma possono sfrecciare attorno ai loro bordi unidimensionali su autostrade "edge-mode". I materiali prendono il nome da una branca della matematica nota come topologia, che il Nobelist Duncan Haldane del 2016 ha usato per spiegare la conduzione in modalità edge in un documento seminale del 1988 che presentava un modello a nido d'ape 2-D con una struttura notevolmente simile al grafene e al CrI ₃ .

"Il punto di Dirac è dove gli elettroni si muovono proprio come i fotoni, con massa effettiva nulla, e se si muovono lungo i bordi topologici, non ci sarà resistenza, ", ha affermato il coautore dello studio Jae-Ho Chung, professore in visita alla Rice e professore di fisica alla Korea University di Seoul, Corea del Sud. "Questo è il punto importante per le applicazioni spintroniche senza dissipazione".

Spintronics è un movimento in crescita all'interno della comunità dell'elettronica a stato solido per creare tecnologie basate su spin per il calcolo, comunicare e archiviare informazioni e altro ancora. Gli isolanti topologici con stati di bordo magnon avrebbero un vantaggio rispetto a quelli con stati di bordo elettronici perché le versioni magnetiche non produrrebbero calore, ha detto Chung.

In senso stretto, i magnon non sono particelle ma quasiparticelle, eccitazioni collettive che derivano dal comportamento di una miriade di altre particelle. Un'analogia sarebbe "l'onda" che a volte le folle si esibiscono negli stadi sportivi. Guardando un singolo fan, si vedrebbe semplicemente una persona periodicamente in piedi, alzando le braccia e tornando a sedersi. Solo guardando l'intera folla si può vedere "l'onda".

"Se guardi solo uno spin dell'elettrone, sembrerà che vibra in modo casuale, " disse Chung. "Ma secondo i principi della fisica dello stato solido, questo oscillare apparentemente casuale è composto da onde esatte, onde ben definite. E non importa quante onde hai, solo un'onda particolare si comporterà come un fotone. È quello che sta succedendo intorno al cosiddetto punto Dirac. Tutto il resto è solo una semplice onda di rotazione. Solo intorno a questo punto di Dirac il Magnon si comporterà come un fotone".

Dai ha affermato che le prove per le eccitazioni di spin topologiche nel CrI ₃ è particolarmente intrigante perché è la prima volta che tali prove vengono viste senza l'applicazione di un campo magnetico esterno.

"C'era un articolo in passato in cui si osservava qualcosa di simile applicando un campo magnetico, ma la nostra è stata la prima osservazione in campo zero, " ha detto. "Crediamo che questo sia dovuto al fatto che il materiale ha un campo magnetico interno che consente che ciò accada".

Dai e Chung hanno affermato che il campo magnetico interno deriva da elettroni che si muovono a velocità quasi relativistiche in prossimità dei protoni nei nuclei degli atomi di cromo e iodio.

"Questi elettroni si muovono da soli, ma a causa della relatività, nel loro quadro di riferimento, non si sentono in movimento, " Dai ha detto. "Sono solo in piedi lì, e l'ambiente circostante si sta muovendo molto velocemente."

Chung ha detto, "Questo movimento in realtà sente le cariche positive circostanti come una corrente che si muove intorno ad esso, e quello, accoppiato allo spin dell'elettrone, crea il campo magnetico."

Dai ha detto che i test all'ORNL hanno coinvolto il raffreddamento del CrI ₃ campioni al di sotto di 60 Kelvin e bombardandoli con neutroni, che hanno anche momenti magnetici. I neutroni che sono passati abbastanza vicino a un elettrone nel campione potrebbero quindi eccitare eccitazioni dell'onda di spin che potrebbero essere lette con uno spettrometro.

"Abbiamo misurato come si propaga l'onda di spin, " ha detto. "Essenzialmente, quando giri questo giro, quanto rispondono gli altri giri."

Per garantire che i neutroni interagiscano in numero sufficiente con i campioni, Lo studente laureato Rice e autore principale dello studio Lebing Chen ha trascorso tre mesi a perfezionare una ricetta per la produzione di fogli piatti di CrI ₃ in un forno ad alta temperatura. Il tempo di cottura per ogni campione è stato di circa 10 giorni, e il controllo delle variazioni di temperatura all'interno del forno si è rivelato critico. Dopo che la ricetta è stata perfezionata, Chen ha quindi dovuto impilare faticosamente, allineare e incollare 40 strati di materiale. Poiché gli esagoni in ogni strato dovevano essere allineati con precisione, e l'allineamento poteva essere confermato solo con la diffrazione dei raggi X di Laue, ogni piccolo aggiustamento potrebbe richiedere un'ora o più.

"Non abbiamo dimostrato che il trasporto topologico esiste, "Dai ha detto. "In virtù di avere gli spettri che abbiamo, ora possiamo dire che è possibile avere questa modalità edge, ma non abbiamo mostrato che esiste una modalità edge."

I ricercatori hanno affermato che saranno necessari esperimenti di trasporto Magnon per dimostrare l'esistenza della modalità edge, e sperano che le loro scoperte incoraggino altri gruppi a tentare quegli esperimenti.