Ein internationales Forscherteam unter der Leitung des starken Korrelationsquantentransportlabors des Riken Center for Emergent Matery Science (CEMS) hat in einem weltweiten idealen Weyl-Semimetal gezeigt, der einen Durchbruch in einem zehnjährigen Problem der Quantenmaterialien markiert.
Weylfermionen entstehen als kollektive Quantenanregungen von Elektronen in Kristallen. Es wird vorausgesagt, dass sie exotische elektromagnetische Eigenschaften zeigen und ein intensives weltweites Interesse wecken. Trotz der sorgfältigen Untersuchung von Tausenden von Kristallen weisen die meisten bisherigen Weylmaterialien eine elektrische Leitung auf, die überwältigend von unerwünschten, trivialen Elektronen regiert und die Weylfermionen verdeckt. Endlich haben Forscher ein Material synthetisiert, das ein einziges Paar Weylfermionen veranstaltet, und keine irrelevanten elektronischen Zustände.
Die Arbeiten, die diese Woche in veröffentlicht wurde NaturEntstand aus einer Zusammenarbeit über vier Jahre zwischen CEMs, dem Interdisziplinären theoretischen und mathematischen Wissenschaftsprogramm (ITHEMS), dem Quantenphasen-Elektronikzentrum (QPEC) der Universität von Tokio, dem Institut für Materialforschung der Tohoku University und der Nanyang Technological University in Singapur. Die Forscher entwickelten einen Weyl -Semimetal aus einem topologischen Halbleiter und besuchten eine Strategie, die zuerst 2011 theoretisch vorgeschlagen wurde, dann jedoch von der Gemeinde aufgeben und weitgehend vergessen wurde.
Halbleiter haben eine kleine „Energielücke“, die es ihnen ermöglicht, zwischen isolierenden und leitenden Zuständen umzusteigen und die Grundlage für den kommerziellen Transistor zu bilden. Semimetale können als eine Art extreme Grenze eines Halbleiters ohne ‚Energielücke‘ direkt am Schwellenwert zwischen Isolator und Metall angesehen werden. Dieser extreme Fall bleibt in realen Materialien außerordentlich selten. Das vielleicht bekannteste Beispiel ist Graphen, das Verwendungszwecke in Moiré Physik und flexible Elektronik gefunden hat.
Der in der aktuelle Studie verwendete topologische Halbleiter ist Wismut Telluride, Bi2Der3. Die Forscher haben die chemische Zusammensetzung des Materials auf stark kontrollierte Weise angepasst und das Wismut durch Chrom ersetzt (Cr, Bi)2Der3. Laut Ryota Watanabe, Ph.D. Student und Co-First-Autor der Studie: „Wir waren zunächst durch den großen anomalen Hall-Effekt (AHE) in (cr, bi) fasziniert2Der3Dies signalisierte neue Physik über die der topologischen Halbleiter. „Ching-Kai Chi von Ithems und Co-Autor der Arbeiten, bemerkte, dass“ im Gegensatz zu früheren Weylmaterialien die einzigartig einfache elektronische Struktur von (Cr, Bi)2Der3 ermöglichte es uns, unsere Experimente mit einer genauen Theorie quantitativ zu erklären. Wir konnten dann die große AHE auf aufstrebende Weylfermionen zurückverfolgen. „
Die erste Autorin Ilya Belopolski von CEMS erinnert sich, dass der Befund sowohl für sich als auch für Kollegen auf der ganzen Welt ein Schock war. „Verschiedene Gemeinschaften hatten bereits die wichtigsten theoretischen und experimentellen Erkenntnisse festgestellt früher.“
Was diese Einsichten letztendlich bei Riken entstanden, schreibt Belopolski die einzigartige Kombination brillanter Forscher, großzügige Forschungsfinanzierung und dynamische intellektuelle Atmosphäre von CEMs zu. „Es gab viele talentierte Forschungsgruppen in den USA, China und in ganz Europa, die viele Jahre lang an verwandten Themen arbeiteten. Der Grund, warum diese Entdeckung hier stattgefunden hat, liegt wahrscheinlich auf das sehr kreative und kollaborative Umfeld von Riken.“
Eine potenzielle Anwendung ist in Terahertz -Geräten (THZ). Halbleiter können Photonen mit Energie, die größer als ihre Energielücke sind, nur absorbieren, was typischerweise den THZ -Frequenzbereich ausschließt. Laut Yuki Sato, Postdoktorandenforscher und Co-Autor der Arbeit: „Im Gegensatz zu Halbleitern haben Semimetal Die Erzeugung und Erkennung des Lichts. „
Das Team antizipiert weiterhin die Forschung zu Hochleistungssensoren, Elektronik mit geringer Leistung und neuartiger Optoelektronikgeräte. Der Postdoktorand-Forscher Lixuan Tai, der sich dem starken Korrelationsquantentransportlabor bei dieser Arbeit anschloss, drückte die Aufregung über die kurzfristige Forschung aus, die diese neue Quantenphase der Materie ermöglicht hat. „Es macht dies zu einer besonders aufregenden Zeit, sich diesem Forschungsteam anzuschließen, da uns ein echtes Weyl -Semimetal für uns zugänglich ist, nachdem all diese Jahre sicherlich viele aufregende Durchbrüche ermöglichen werden.“
