Os pesquisadores descobriram um efeito Hall de "camada" em um chip de estado sólido construído de telureto de bismuto de manganês antiferromagnético, uma descoberta que sinaliza um estado de isolamento axion topológico muito procurado, a equipe relata na edição atual da revista Natureza .

Os pesquisadores têm tentado encontrar evidências de um estado topológico de isolamento Axion (TAI) e desenvolveram alguns materiais candidatos com base em cálculos teóricos. O efeito Hall em camadas representa a primeira evidência experimental clara do estado, uma característica limitada pelas leis da física quântica, de acordo com o professor assistente de física do Boston College, Qiong Ma, um pesquisador sênior do projeto, que incluiu 36 cientistas de universidades nos EUA, Japão, China, Taiwan, Alemanha, e Índia.

Os pesquisadores acreditam que quando é totalmente compreendido, TAI pode ser usado para fazer semicondutores com aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos, Ma disse. As propriedades altamente incomuns dos Axions suportarão uma nova resposta eletromagnética chamada de efeito magnetoelétrico topológico, pavimentando o caminho para a realização de ultra-sensíveis, ultra rápido, e sensores sem dissipação, detectores e dispositivos de memória.

No centro desta linha de investigação entre físicos e cientistas de materiais estão Axions, partículas de interação fraca postuladas pela primeira vez por teóricos há mais de 30 anos, Ma disse. Eles são um dos principais candidatos para Dark Matter, uma forma misteriosa de matéria considerada responsável por aproximadamente 85 por cento do universo.

Embora a busca por Axions na física de alta energia esteja em andamento, foi proposto recentemente que os Axions podem ser realizados como quase-partículas em materiais de estado sólido. O principal candidato como local para localizar Axions é em um material TAI quântico, onde os pesquisadores sugerem que Axions existem como excitações eletrônicas de baixa energia, Ma disse.

"Começamos a pesquisar o estado de isolamento do Axion topológico em um dispositivo quântico cuidadosamente projetado feito de MnBi2Te4 com camadas de número par - ou telureto de bismuto de manganês, "Ma disse." Estudos anteriores demonstraram o estado de isolamento, nomeadamente, resistência muito grande, qual é, Contudo, verdade para qualquer isolante. Queríamos demonstrar ainda as propriedades que são exclusivas dos isoladores Axion e não existem em isoladores regulares, como diamante. "

O material forma uma estrutura de cristal em camadas bidimensional, o que permitiu a Ma e seus colegas esfoliar mecanicamente flocos com a espessura de um átomo usando fita adesiva de celofane que pode ser encontrada na maioria das drogarias e supermercados. Estruturas em flocos finos com número par de camadas foram propostas para serem um isolante Axion.

Ma trabalhou em estreita colaboração com outros físicos do Boston College, Brian Zhou e Kenneth Burch. Zhou usou uma técnica quântica única para detectar o magnetismo de MnBi2Te4. Burch possui um porta-luvas exclusivo usado para processar a amostra em um ambiente inerte.

"Primeiro caracterizamos o número da camada com métodos ópticos e, em seguida, realizamos medições de transporte elétrico, como medir a resistência da amostra em diferentes condições, incluindo campo elétrico variável, campo magnético e temperatura ambiente, "Ma disse.

Os pesquisadores descobriram o efeito Hall, uma lei bem conhecida da física, onde os elétrons viajam em um ângulo do eixo sob a influência de um campo magnético aplicado. Mas neste caso, esses elétrons viajavam sem tal assistência, Ma disse. A chave era a topologia dos materiais, ou as características quânticas de seus elétrons e das ondas em que funcionam.

"Observamos uma nova propriedade dos elétrons que viajam por este material em seu estado de isolamento Axion:os elétrons não viajam em linha reta; em vez disso, eles desviam para a direção transversal. Este efeito foi geralmente observado apenas sob um grande campo magnético, conhecido como efeito Hall, "Ma disse." Mas aqui, a deflexão ocorre devido à topologia inerente dos materiais e sem campo magnético externo. Mais interessante, os elétrons se desviam para lados opostos nas camadas superior e inferior. Portanto, nós o cunhamos como a camada de efeito Hall. O efeito Hall da camada serve como uma assinatura distinta do estado de isolamento do Axion topológico, o que não acontecerá em isoladores comuns. "

Ma, cuja pesquisa sobre o projeto é apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, disse que a equipe ficou surpresa ao descobrir que o estado de isolamento topológico do Axion e o efeito Hall da camada podem ser efetivamente controlados pelo chamado campo Axion, que é o produto da aplicação de um campo elétrico e de um campo magnético.

"Isso significa que se os elétrons se desviam para a esquerda ou para a direita nas camadas superior e inferior podem ser trocados pela aplicação coletiva dos campos elétricos e magnéticos, "Disse Ma." Um único campo não é capaz de mudar uma situação para a outra. "

Professor Assistente de Química da Universidade de Harvard, Suyang Xu, um autor principal do relatório, adicionado, "Estamos muito entusiasmados com este trabalho porque ele demonstra a primeira plataforma realista para o estado topológico do isolador Axion."

Ma disse que a identificação do estado de isolamento topológico do Axion leva à próxima etapa de busca de assinaturas da dinâmica do Axion definidora neste sistema, que é conhecido como efeito magnetoelétrico topológico (ME).

"O efeito topológico de ME é um mecanismo fundamentalmente novo para converter eletricidade em magnetismo, ou vice-versa, sem energia perdida, e tem grande potencial para realizar dispositivos spintrônicos e de memória ultra-eficientes em termos de energia, "disse a mãe.

Para demonstrar isso, será necessária uma maior otimização da qualidade do material, a geometria do dispositivo, e capacidades experimentais expandidas, Ma disse.