Les chercheurs ont découvert un effet Hall "couche" dans une puce à l'état solide construite en tellurure de manganèse-bismuth antiferromagnétique, un résultat qui signale un état d'isolation topologique Axion très recherché, les rapports de l'équipe dans l'édition actuelle de la revue La nature .

Les chercheurs ont essayé de trouver des preuves d'un état topologique d'isolation d'Axion (TAI) et ont développé des matériaux candidats sur la base de calculs théoriques. L'effet Hall en couches représente la première preuve expérimentale claire de l'état, une caractéristique liée par les lois de la physique quantique, selon Qiong Ma, professeur adjoint de physique au Boston College, un chercheur senior sur le projet, qui comprenait 36 ​​scientifiques d'universités des États-Unis, Japon, Chine, Taïwan, Allemagne, et l'Inde.

Les chercheurs pensent que lorsqu'elle est bien comprise, Le TAI peut être utilisé pour fabriquer des semi-conducteurs avec des applications potentielles dans les appareils électroniques, dit maman. Les propriétés très inhabituelles des Axions soutiendront une nouvelle réponse électromagnétique appelée effet magnéto-électrique topologique, ouvrant la voie à la réalisation ultra-sensible, ultrarapide, et capteurs sans dissipation, détecteurs et dispositifs de mémoire.

Au centre de cette ligne de recherche parmi les physiciens et les scientifiques des matériaux se trouvent Axions, particules à interaction faible postulées pour la première fois par les théoriciens il y a plus de 30 ans, dit maman. Ils sont l'un des principaux candidats à la matière noire, une forme mystérieuse de matière qui représenterait environ 85 % de l'univers.

Alors que la recherche d'Axions en physique des hautes énergies se poursuit activement, il a été récemment proposé que les Axions puissent être réalisés sous forme de quasi-particules dans des matériaux à l'état solide. Le principal candidat pour localiser les Axions est dans un matériau quantique TAI, où les chercheurs suggèrent que les axions existent en tant qu'excitations électroniques de faible énergie, dit maman.

"Nous avons entrepris de rechercher l'état d'isolation topologique de l'Axion dans un dispositif quantique soigneusement conçu fait de MnBi2Te4 à couches paires - ou tellurure de manganèse-bismuth, " Ma dit. " Des études précédentes ont démontré l'état isolant, à savoir, très grande résistance, lequel est, cependant, vrai pour tout isolant. Nous voulions démontrer davantage les propriétés qui sont uniques aux isolateurs Axion et n'existent pas dans les isolateurs ordinaires, comme le diamant."

Le matériau forme une structure cristalline en couches bidimensionnelle, qui a permis à Ma et à ses collègues d'exfolier mécaniquement des flocons d'épaisseur atomique à l'aide de ruban de cellophane que l'on trouve dans la plupart des pharmacies et des supermarchés. Des structures en flocons minces avec un nombre pair de couches ont été proposées pour être un isolant Axion.

Ma a travaillé en étroite collaboration avec ses collègues physiciens du Boston College Brian Zhou et Kenneth Burch. Zhou a utilisé une technique quantique unique pour détecter le magnétisme de MnBi2Te4. Burch possède une installation unique de boîte à gants utilisée pour traiter l'échantillon dans un environnement inerte.

"Nous avons d'abord caractérisé le nombre de couches avec des méthodes optiques, puis effectué des mesures de transport électrique, telles que la mesure de la résistance de l'échantillon dans différentes conditions, y compris un champ électrique variable, champ magnétique et température ambiante, " dit Maman.

Les chercheurs ont découvert l'effet Hall, une loi bien connue de la physique où les électrons se déplacent à un angle par rapport à l'axe sous l'influence d'un champ magnétique appliqué. Mais dans ce cas, ces électrons voyageaient sans une telle assistance, dit maman. La clé était la topologie des matériaux, ou les caractéristiques quantiques de ses électrons et les ondes dans lesquelles ils fonctionnent.

« Nous avons observé une nouvelle propriété pour les électrons qui traversent ce matériau dans son état isolant Axion :les électrons ne se déplacent pas en ligne droite ; au lieu de cela, ils dévient dans la direction transversale. Cet effet n'était généralement observé que sous un champ magnétique important, connu sous le nom d'effet Hall, " Ma dit. " Mais ici, la déviation se produit en raison de la topologie inhérente des matériaux et sans champ magnétique externe. Plus intéressant, les électrons sont déviés vers des côtés opposés sur les couches supérieure et inférieure. Par conséquent, nous l'avons appelé l'effet Hall de la couche. L'effet Hall de la couche sert de signature distincte de l'état isolant topologique de l'Axion, ce qui n'arrivera pas dans les isolateurs ordinaires."

Maman, dont les recherches sur le projet sont soutenues par le département américain de l'Énergie, a déclaré que l'équipe a été surprise de constater que l'état isolant topologique de l'Axion et l'effet Hall de la couche peuvent être efficacement contrôlés par le champ dit Axion, qui est le produit de l'application à la fois d'un champ électrique et d'un champ magnétique.

"Cela signifie que si les électrons dévient vers la gauche ou vers la droite sur les couches supérieure et inférieure peuvent être commutés par l'application collective des champs électriques et magnétiques, " a dit Ma. " Un seul champ n'est pas capable de passer d'une situation à l'autre. "

Professeur adjoint de chimie à l'Université Harvard Suyang Xu, un auteur principal du rapport, ajoutée, "Nous sommes très enthousiastes à propos de ce travail car il démontre la première plate-forme réaliste pour l'état topologique de l'isolant Axion."

Ma a déclaré que l'identification de l'état isolant de l'Axion topologique conduit à la prochaine étape de recherche des signatures de la dynamique Axion définissant dans ce système, qui est connu comme l'effet magnétoélectrique topologique (ME).

"L'effet ME topologique est un mécanisme fondamentalement nouveau pour convertir l'électricité en magnétisme, ou vice versa, sans perte d'énergie, et a un grand potentiel pour réaliser des dispositifs de spintronique et de mémoire ultra-économes en énergie, " dit Maman.

Pour le démontrer, il faudra une optimisation supplémentaire de la qualité des matériaux, la géométrie de l'appareil, et des capacités expérimentales élargies, dit maman.