Figura 1. A ordem magnética helicoidal complexa em EuIn2As2 (direita) suporta um estado isolante axion com cones Dirac sem intervalos (esquerda) ocorrendo em superfícies penetradas e perpendiculares às setas azuis da estrutura magnética. Essas superfícies suportam a condução quiral sem resistência. Outras superfícies são espaçadas e exibem condução do tipo Hall anômala quântica meio-inteiro nas bordas da amostra. Crédito:Laboratório Ames
Cientistas do Laboratório Ames do Departamento de Energia dos EUA observaram uma nova ordem magnética helicoidal no composto topológico EuIn 2 Como 2 que suporta condução elétrica exótica sintonizável por um campo magnético. A descoberta tem implicações significativas para a pesquisa básica em propriedades topológicas funcionais e pode um dia encontrar uso em uma série de aplicações de tecnologia avançada.
Materiais topológicos entraram em cena nas ciências físicas há cerca de quinze anos, décadas depois de sua existência ter sido teorizada. Chamado de 'topológico' porque suas bandas eletrônicas em massa são "amarradas" juntas, as superfícies dos isoladores topológicos "desatam o nó" e tornam-se metálicas. Pesquisadores do Centro para o Avanço de Semimetais Topológicos (CATS) do Laboratório Ames estão procurando descobrir, Compreendo, e controlar as propriedades de condução excepcionais desses materiais.
Grande parte da tecnologia moderna depende de materiais cristalinos, que são sólidos compostos de um arranjo repetitivo (periódico) de átomos que formam uma rede. Devido à periodicidade, a estrutura parece a mesma após certas operações de simetria, como translação, rotações específicas, espelho, e / ou inversão. A existência ou ausência dessas simetrias afeta a topologia de banda eletrônica e a condução eletrônica de superfície. A ordenação magnética pode modificar as simetrias exibidas pelo material, fornecer um meio adicional para controlar o estado topológico.
Em colaboração com cientistas do Oak Ridge National Laboratory's Spallation Neutron Source, Universidade McGill, e o Centro de Reatores de Pesquisa da Universidade de Missouri, a equipe CATS descobriu a existência de ordenação magnética helicoidal de baixa simetria em EuIn 2 Como 2 que suporta um estado topológico muito procurado, denominado isolador axion. Este estado compartilha semelhanças com a partícula axion na cromodinâmica quântica, que é um candidato a componente da matéria escura. Em materiais de estado sólido, fornece notável acoplamento paralelo entre propriedades magnéticas e elétricas.
Na presença do ordenamento magnético helicoidal complexo de EuIn 2 Como 2 , o estado axion leva a características topológicas no espectro eletrônico de superfície chamados cones de Dirac. Quando um cone de Dirac ocorre em uma superfície do material penetrada por um eixo fundamental da ordenação magnética, o cone não tem lacuna de energia e a superfície exibe condução sem resistência ligada à orientação do spin eletrônico. As outras superfícies têm cones de Dirac com espaçamento e suportam condução elétrica quantizada de meio-inteiro. Os pesquisadores prevêem que a aplicação de um campo magnético relativamente moderado muda as superfícies que suportam o tipo de cone de Dirac, permitindo que a condução da superfície seja ajustada.
A capacidade de alternar entre os estados de superfície por um campo magnético fornece uma via experimental para examinar as propriedades únicas de seus estados topológicos. Essa capacidade de ajuste também é promissora para tecnologias como sensores de alta precisão, nanofios sem resistência, mídia de armazenamento magnético, e computadores quânticos. Estudos futuros examinarão cristais em massa durante a aplicação de um campo magnético e sintetizarão e estudarão filmes finos em nanoescala a fim de abrir caminho para aplicações tecnológicas.
O papel, "Eletrodinâmica do axion protegido por simetria cristalina magnética e cones Dirac desafixados ajustáveis em campo em EuIn 2 Como 2 , "é publicado em Nature Communications .
