Neuer Quantenmagnet setzt Elektronikpotenzial frei

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Einige unserer wichtigsten Alltagsgegenstände, wie Computer, medizinische Geräte, Stereoanlagen, Generatoren und mehr, funktionieren dank Magneten. Wir wissen, was passiert, wenn Computer leistungsfähiger werden, aber was wäre möglich, wenn Magnete vielseitiger würden? Was wäre, wenn man eine physikalische Eigenschaft ändern könnte, die ihre Verwendbarkeit definiert? Welche Innovation könnte das auslösen?

Dieser Frage gehen die Forscher des MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) Hang Chi, Yunbo Ou, Jagadeesh Moodera und ihre Co-Autoren in einem neuen Open-Access-Artikel von Nature Communications nach: „Strain-tunable Berry curvature in quasi-two -dimensionales Chromtellurid.“

Um das Ausmaß der Entdeckung der Autoren zu verstehen, ist eine kurze Zeitreise erforderlich: Im Jahr 1879 entdeckte ein 23-jähriger Doktorand namens Edwin Hall das, als er einen Magneten im rechten Winkel an einen Metallstreifen richtete, durch den Strom floss Dadurch hätte eine Seite des Streifens eine größere Ladung als die andere. Das Magnetfeld lenkte die Elektronen des Stroms zum Rand des Metalls ab, ein Phänomen, das ihm zu Ehren als Hall-Effekt bezeichnet wurde.

Zu Halls Zeiten war das klassische System der Physik das einzige System dieser Art, und Kräfte wie Schwerkraft und Magnetismus wirkten auf die Materie auf vorhersehbare und unveränderliche Weise: So wie das Fallenlassen eines Apfels dazu führen würde, dass er fällt und ein „T“ mit einem elektrifizierten Streifen bildet Metall und Magnet führten zum Hall-Effekt, Punkt. Aber das war es wirklich nicht; Jetzt wissen wir, dass auch die Quantenmechanik eine Rolle spielt.

Stellen Sie sich die klassische Physik als eine Karte von Arizona und die Quantenmechanik als eine Autofahrt durch die Wüste vor. Die Karte bietet eine Makroansicht und allgemeine Informationen über das Gebiet, kann den Fahrer jedoch nicht auf alle zufälligen Ereignisse vorbereiten, denen er begegnen könnte, beispielsweise auf ein über die Straße rennendes Gürteltier. Quantenräume unterliegen ebenso wie die Fahrt des Fahrers anderen lokalen Verkehrsregeln. Während der Hall-Effekt in einem klassischen System durch ein angelegtes Magnetfeld induziert wird, kann der Hall-Effekt in einem Quantenfall auch ohne das äußere Feld auftreten und dann zum anomalen Hall-Effekt werden.

Wenn man im Quantenbereich unterwegs ist, ist man mit dem Wissen über die sogenannte „Berry-Phase“ ausgestattet, benannt nach dem britischen Physiker Michael Berry. Es dient als GPS-Logger für das Auto: Es ist, als hätte der Fahrer seine gesamte Fahrt von Anfang bis Ende aufgezeichnet, und durch die Analyse des GPS-Verlaufs kann man die Höhen und Tiefen oder „Krümmungen“ des Raums besser einschätzen. Diese „Beerenkrümmung“ der Quantenlandschaft kann Elektronen auf natürliche Weise zur Seite verschieben und so den Hall-Effekt ohne Magnetfeld induzieren, so wie die Hügel und Täler den Weg des Autos vorgeben.

Während viele den anomalen Hall-Effekt in magnetischen Materialien beobachtet haben, war niemand in der Lage, ihn durch Zusammendrücken und/oder Dehnen zu manipulieren – bis die Autoren der Arbeit eine Methode entwickelten, um die Veränderung des anomalen Hall-Effekts und der Berry-Krümmung in einem ungewöhnlichen Magneten zu demonstrieren.

Zuerst nahmen sie halbmillimeterdicke Basen aus Aluminiumoxid oder Strontiumtitanat, beides Kristalle, und ließen auf den Basen eine unglaublich dünne Schicht aus Chromtellurid, einer magnetischen Verbindung, wachsen. Alleine würden diese Materialien nicht viel bewirken; In Kombination führten der Magnetismus des Films und die von ihm erzeugte Grenzfläche zu den Untergründen, auf denen er gewachsen war, jedoch dazu, dass sich die Schichten dehnten oder zusammendrückten.

Um ihr Verständnis darüber zu vertiefen, wie diese Materialien zusammenwirken, arbeiteten die Forscher mit der Spallations-Neutronenquelle des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) zusammen, um Neutronenstreuexperimente durchzuführen – im Wesentlichen das Bestrahlen des Materials mit Partikelschüssen und die Untersuchung dessen, was zurückprallte – um zu lernen mehr über die chemischen und magnetischen Eigenschaften der Folie. Neutronen waren ein ideales Werkzeug für die Studie, da sie magnetisch sind, aber keine elektrische Ladung besitzen. Die Neutronenexperimente ermöglichten es den Forschern, ein Profil zu erstellen, das zeigte, wie sich die chemischen Elemente und das magnetische Verhalten auf verschiedenen Ebenen veränderten, als sie tiefer in das Material vordrangen.

Die Forscher beobachteten den anomalen Hall-Effekt und die Berry-Krümmung, die auf den Grad der Kompression oder Dehnung an der Basis nach dem Aufbringen der Folie reagierten, eine Beobachtung, die später durch Modellierung und Datensimulationen bestätigt wurde.

Obwohl dieser Durchbruch auf der kleinsten molekularen Ebene erfolgte, hat die Entdeckung der Wissenschaftler erhebliche Auswirkungen auf die reale Welt. Festplatten speichern beispielsweise Daten in winzigen magnetischen Bereichen, und wenn sie aus „dehnungsabstimmbaren“ Materialien wie der Folie hergestellt würden, könnten sie zusätzliche Daten in Bereichen speichern, die auf unterschiedliche Weise gedehnt wurden. In der Robotik könnten dehnungsabstimmbare Materialien als Sensoren verwendet werden, die präzise Rückmeldungen zu Bewegungen und Positionierung von Robotern geben könnten. Solche Materialien wären besonders nützlich für „weiche Roboter“, die weiche und flexible Komponenten verwenden, die biologische Organismen besser imitieren. Oder ein magnetisches Gerät, das sein Verhalten ändert, wenn es gebogen oder gebogen wird, könnte verwendet werden, um kleinste Veränderungen in der Umgebung zu erkennen oder um unglaublich empfindliche Geräte zur Gesundheitsüberwachung herzustellen.

Zu den MIT-Mitwirkenden an der Arbeit gehören neben Chi, Ou und Moodera, die ebenfalls dem Department of Physics des MIT angehört, auch der Postdoktorand Alexandre C. Foucher und Professor Frances Ross vom Department of Materials Science and Engineering.

Weitere Co-Autoren sind Tim B. Eldred und Wenpei Gao von der North Carolina State University; Sohee Kwon, Yuhang Liu und Roger K. Lake von der University of California in Riverside; Joseph Murray, Michael Dreyer und Robert E. Butera vom Laboratory for Physical Sciences; Haile A. Ambaye, Valerie Lauter und Jong K. Keum von ORNL; Alice T. Greenberg, Yuhang Liu, Mahesh R. Neupane, George J. de Coster, Owen A. Vail, Patrick J. Taylor, Patrick A. Folkes und Charles Rong vom Army Research Lab; Gen Yin von der Georgetown University; und Don Heiman von der Northeastern University.

Diese Studie wurde teilweise vom US Army Research Office, der US National Science Foundation (NSF), dem US Office of Naval Research, dem US Air Force Office of Scientific Research und dem MIT-IBM Watson AI Research Lab unterstützt. Der Zugang zu den Einrichtungen wurde vom MIT Materials Research Laboratory, MRSEC, MIT.nano, SNS und Center for Nanophase Materials Sciences, dem Department of Energy Office of Science User Facilities, betrieben von ORNL, und Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services and Support, unterstützt von NSF, bereitgestellt.

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