Материал, с которым работали ученые, пентателлурид циркония, имеет удивительную особенность: при помещении в параллельное электрическое и магнитное поля он реагирует дисбалансом количества правых и левых частиц — хиральным дисбалансом. Этот дисбаланс толкает противоположно заряженные частицы в противоположных направлениях, создавая мощный электрический ток.Этот «киральный магнитный эффект» давно предсказывался теоретически, но никогда не наблюдался окончательно в лаборатории материаловедения во время выполнения этой работы.Фактически, когда физики из отдела физики конденсированных сред Брукхейвена Отдел материаловедения (CMPMS) сначала измерил значительное падение электрического сопротивления и сопровождающее его резкое увеличение проводимости, они были весьма удивлены. «Мы не знали, что такая большая величина« отрицательного магнитосопротивления »возможна», — сказал Цян Ли, физик и руководитель группы передовых энергетических материалов в отделе и соавтор статьи, описывающей эти результаты, только что опубликованной в журнал Nature Physics.
Но после объединения с Дмитрием Харзеевым, главой теоретической группы RIKEN-BNL в Брукхейвене и профессором из Стоуни-Брук, у ученых было объяснение.Харзеев исследовал аналогичное поведение субатомных частиц в магнитных полях, создаваемых при столкновениях, на коллайдере релятивистских тяжелых ионов в лаборатории (RHIC, https://www.bnl.gov/rhic/), пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США, где физики-ядерщики исследуют фундаментальные строительные блоки материи. Он предположил, что как в столкновениях с RHIC, так и в пентателлуриде циркония разделение зарядов могло быть вызвано киральным дисбалансом.
Чтобы проверить идею, они сравнили свои измерения с математическими предсказаниями того, насколько сильным должно быть увеличение проводимости с увеличением напряженности магнитного поля.«Мы посмотрели на данные и сказали:« Вот и все! » Мы протестировали шесть различных образцов и подтвердили, что независимо от того, как вы это делаете, он существует до тех пор, пока магнитное поле параллельно электрическому току.
Это дымящийся пистолет », — сказал Ли.Переход к хиральномуПравосторонняя или левосторонняя хиральность определяется тем, совмещен ли спин частицы с направлением движения или против него.
Для того, чтобы окончательно установить хиральность, частицы должны вести себя так, как будто они почти безмассовые и способны двигаться как таковые во всех трех пространственных направлениях.В то время как свободно текущие почти безмассовые частицы обычно встречаются в кварк-глюонной плазме, созданной на RHIC, этого не ожидалось в конденсированной среде.
Однако в некоторых недавно обнаруженных материалах, включая «полуметаллы Дирака», названные в честь физика, который написал уравнения для описания быстро движущихся электронов, — почти безмассовые «квазичастичные» версии электронов (и положительно заряженные «дырки») распространяются через кристалл таким свободным способом.Некоторые аспекты этого явления, а именно линейная зависимость энергии частиц от их импульса, могут быть непосредственно измерены и визуализированы с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES).«На первый взгляд пентателлурид циркония даже не выглядел как трехмерный материал», — сказала физик из Брукхейвена Тоника Валла, которая проводила измерения с сотрудниками из Advanced Light Source (ALS) в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и в Национальном синхротронном источнике света в Брукхейвене ( NSLS, https://www.bnl.gov/ps/nsls/about-NSLS.asp) — два дополнительных объекта Управления науки Министерства энергетики США. «Он слоистый, как графит, поэтому квази-двумерная электронная структура является более ожидаемой.
Однако, как только мы провели первые измерения ARPES, стало ясно, что этот материал представляет собой трехмерный полуметалл Дирака».Эти результаты хорошо согласуются с результатами по проводимости и объясняют, почему в этом материале наблюдался хиральный магнитный эффект.
В отсутствие магнитного и электрического полей пентателлурид циркония имеет равномерное разделение на правые и левые квазичастицы. Но добавление параллельных магнитных и электрических полей вводит хиральное предпочтение: магнитное поле выравнивает спины положительных и отрицательных частиц в противоположных направлениях, а электрическое поле запускает движение противоположно заряженных частиц — положительные частицы движутся с электрическим полем, отрицательные. против этого. Если два поля указывают в одном направлении, это создает предпочтение для положительных и отрицательных частиц, каждая из которых движется в направлении, совпадающем с ориентацией их спина — правые киральные частицы — но с положительными и отрицательными частицами, движущимися от друг друга. (Если ориентация магнитного поля перевернута относительно электрического поля, предпочтение будет отдано левым частицам, но все же с разделением противоположных зарядов.)«Этот хиральный дисбаланс дает большой толчок к разделению противоположно заряженных частиц, которые могут быть связаны через внешнюю цепь», — сказал Харзеев.
И как только хиральное состояние установлено, его трудно изменить, «поэтому очень мало энергии теряется в этом хиральном токе».Возможные приложения
По словам Ли, поразительная проводимость и низкое электрическое сопротивление полуметаллов Дирака могут быть ключом к потенциальным приложениям, включая «генераторы квантового электричества» и квантовые вычисления.«В классическом генераторе ток увеличивается линейно с увеличением напряженности магнитного поля, которое должно динамически изменяться. В этих материалах ток увеличивается гораздо более резко в статическом магнитном поле.
Вы можете вытащить ток из« моря »доступных "квазичастицы непрерывно. Это чисто квантовое поведение", — сказал Ли.Разделение двух хиральных состояний также может дать новый способ кодирования информации — аналог нулей и единиц вычислений. А поскольку хиральное состояние очень стабильно по сравнению с другими электрическими состояниями, оно гораздо менее подвержено влиянию внешних воздействий, включая дефекты материала.
По словам Ли, это может быть более надежным материалом для квантовых вычислений.У Харзеева есть и другие идеи: «Сопротивление этого материала падает с увеличением напряженности магнитного поля, что может открыть совершенно другой путь к достижению чего-то вроде сверхпроводимости — нулевого сопротивления», — сказал он. В настоящее время материалы демонстрируют по крайней мере некоторое снижение сопротивления при температурах до 100 Кельвинов — в области лучших высокотемпературных сверхпроводников.
Но есть много разных типов полуметаллов Дирака, с которыми можно поэкспериментировать, чтобы изучить возможность более высоких температур или даже более драматических эффектов. Такие материалы с низким сопротивлением могут помочь преодолеть главный предел скорости микропроцессоров за счет уменьшения рассеивания тока, добавил Харзеев.
«В пентателлуриде циркония и других материалах, которые, как было обнаружено, обладают хиральным магнитным эффектом, для начала снижения удельного сопротивления требуется внешнее магнитное поле», — сказал Валла. «Однако мы предполагаем, что в некоторых магнитных материалах электрический ток может протекать с небольшим сопротивлением или без него в направлении, параллельном внутреннему магнитному полю материала. Это устранило бы необходимость во внешних магнитных полях и предоставило бы другой путь для переноса без рассеяния электрический ток."Харзеев и Ли также заинтересованы в исследовании необычных оптических свойств хиральных материалов. «Эти материалы обладают коллективным возбуждением в терагерцовом диапазоне частот, что может быть важно для беспроводной связи, а также для методов визуализации, которые могут улучшить диагностику рака», — сказал Харзеев.Возвращаясь к своим корням в ядерной физике, Харзеев добавил: «Существование безмассовых квазичастиц, которые сильно взаимодействуют, делает этот материал очень похожим на кварк-глюонную плазму, созданную при столкновениях на RHIC, где почти безмассовые кварки сильно взаимодействуют посредством обмена глюонами.
Итак, это делает полуметаллы Дирака интересной ареной для проверки некоторых идей, предложенных в ядерной физике ».«Это исследование демонстрирует глубокую связь между двумя, казалось бы, несвязанными областями, и требует вклада междисциплинарной группы физиков-ядерщиков и конденсированных сред», — сказал Джеймс Мисевич, заместитель директора лаборатории по энергетике в Brookhaven Lab и профессор физики в Stony Brook. Университет, сыгравший центральную роль в знакомстве членов этой исследовательской группы друг с другом. «Нам повезло, что здесь, в Брукхейвене и близлежащем университете Стоуни-Брук, есть ученые, обладающие опытом в этих областях, а также дух сотрудничества, благодаря которому такой проект претворяется в жизнь», — сказал он.