La combinazione di magnetismo e topologia porta a nuove scienze e applicazioni in termoelettrico, spintronico, fotovoltaico, informatica quantistica, e altre tecnologie quantistiche Credito:MPI CPfS
Immagina un mondo in cui l'elettricità potrebbe fluire attraverso la rete senza perdite o dove tutti i dati del mondo potrebbero essere archiviati nel cloud senza la necessità di centrali elettriche. Sembra inimmaginabile ma una strada verso un sogno del genere si è aperta con la scoperta di una nuova famiglia di materiali dalle proprietà magiche.
Questi materiali, i semimetalli magnetici Weyl, sono innatamente quantistici ma collegano i due mondi della topologia e della spintronica. I materiali topologici mostrano strane proprietà, inclusi elettroni super veloci che viaggiano senza alcuna perdita di energia. D'altra parte i materiali magnetici sono essenziali per la nostra vita quotidiana, dai magneti per le auto elettriche ai dispositivi spintronici in ogni disco rigido nei computer e nel cloud. Il concetto di un semimetallo magnetico Weyl (WSM) era nell'aria ma un materiale reale è stato realizzato solo ora dal team di Claudia Felser, Direttore presso MPI CPfS, Dresda, in due composti molto diversi:Co 2 MnGa e Co 3 Sn 2 S 2 .
Per trovare questi materiali straordinari, Il team di Felser ha scansionato il database dei materiali e ha tirato fuori un elenco di candidati promettenti. La prova che questi materiali sono WSM magnetici è stata ottenuta tramite indagini sulla struttura elettronica di Co 2 MnGa e Co 3 Sn 2 S 2 . Scienziati del gruppo di Claudia Felser presso l'MPI CPfS e del team di Stuart Parkin presso l'MPI di Fisica delle Microstrutture, Halle, in collaborazione con il team di M. Zahid Hasan di Princeton, Il team di Yulin Chen dell'Università di Oxford, e il team di Haim Beidenkopf del Weizmann Institute of Science, hanno confermato sperimentalmente l'esistenza di fermioni magnetici di Weyl in questi due materiali in studi che sono stati pubblicati in tre articoli in Scienza oggi.
Per la prima volta, utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) e gli esperimenti di microscopio a effetto tunnel (STM), sono stati osservati stati di rottura della simmetria di inversione temporale del WSM, reso possibile dai singoli cristalli di alta qualità coltivati presso l'MPI CPfS. "La scoperta dei WSM magnetici è un grande passo avanti verso la realizzazione di effetti quantistici e spintronici ad alta temperatura. Questi due materiali, che sono membri delle famiglie Heusler e Shandite altamente sintonizzabili, rispettivamente, sono piattaforme ideali per varie applicazioni future nelle tecnologie spintronica e magneto-ottiche per l'archiviazione dei dati, ed elaborazione delle informazioni, nonché applicazioni nei sistemi di conversione dell'energia, "dice Stuart Parkin, l'amministratore delegato del Max Planck Institute of Microstructure Physics, Halle.
Gli stati topologici magnetici in Co 2 MnGa e Co 3 Sn 2 S 2 svolgono un ruolo cruciale nell'origine degli effetti anomali di trasporto quantistico osservati, a causa della forte curvatura di Berry associata ai loro stati topologici. Con la linea nodale di Weyl e le strutture a banda di punti nodali, Co 2 MnGa e Co 3 Sn 2 S 2 sono gli unici due esempi attualmente conosciuti di materiali che ospitano sia una grande conducibilità anomala di Hall che un angolo di Hall anomalo. "I nostri materiali hanno i vantaggi naturali di una temperatura di ordine elevato, chiara struttura a bande topologiche, bassa densità di portatori di carica, e forte risposta elettromagnetica. La progettazione di un materiale che esibisce un effetto Hall anomalo quantistico ad alta temperatura (QAHE) tramite il confinamento quantistico di un WSM magnetico, e la sua integrazione in dispositivi quantistici è il nostro prossimo passo, "dice Claudia Felser.
La scoperta dei WSM magnetici è un grande passo avanti verso la realizzazione di un QAHE a temperatura ambiente ed è la base per nuovi concetti di conversione dell'energia "Un effetto Quantum Anomalous Hall consente il trasporto senza dissipazione tramite stati chirali che sono innatamente spin-polarizzati". realizzò immediatamente Yan Sun. La realizzazione del QAHE a temperatura ambiente sarebbe rivoluzionaria superando i limiti di molte delle odierne tecnologie basate sui dati, che sono influenzati da una grande perdita di potenza indotta dallo scattering di elettroni. Ciò aprirebbe la strada a una nuova generazione di dispositivi elettronici e spintronici quantistici a basso consumo energetico.
