Ток идет удивительным путем в квантовом материале

Исследователи Корнелла использовали магнитную визуализацию, чтобы получить первую прямую визуализацию того, как электроны текут в изоляторе особого типа, и тем самым они обнаружили, что транспортный ток движется внутри материала, а не по краям, как давно предполагали ученые. предполагалось.

Это открытие дает новое понимание поведения электронов в так называемых квантовых аномальных изоляторах Холла и должно помочь разрешить десятилетнюю дискуссию о том, как течет ток в более общих квантовых изоляторах Холла. Эти идеи послужат основой для разработки топологических материалов для квантовых устройств следующего поколения.

Статья команды «Прямая визуализация электронного транспорта в квантовом аномальном изоляторе Холла» опубликована 3 августа в журнале Nature Materials. Ведущий автор — Мэтт Фергюсон, доктор философии. 22 года, в настоящее время работает научным сотрудником в Институте химической физики твердого тела Макса Планка в Германии.

Проект, возглавляемый Катей Новак, доцентом кафедры физики Колледжа искусств и наук и старшим автором статьи, берет свое начало в так называемом квантовом эффекте Холла. Впервые обнаруженный в 1980 году, этот эффект возникает, когда магнитное поле прикладывается к определенному материалу, вызывая необычное явление: внутренняя часть объемного образца становится изолятором, в то время как электрический ток движется в одном направлении вдоль внешнего края. Сопротивления квантуются или ограничиваются значением, определяемым фундаментальной универсальной константой, и падают до нуля.

Квантовый аномальный изолятор Холла, впервые обнаруженный в 2013 году, достигает того же эффекта, используя намагниченный материал. Квантование все еще происходит, продольное сопротивление исчезает, а электроны мчатся вдоль края, не рассеивая энергию, что-то вроде сверхпроводника.

По крайней мере, такова популярная концепция.

«Картина, где ток течет по краям, может действительно хорошо объяснить, как получить такое квантование. Но оказывается, что это не единственная картина, которая может объяснить квантование», — сказал Новак. «Эта краевая картина действительно была доминирующей с момента впечатляющего развития топологических изоляторов, начавшегося в начале 2000-х годов. Тонкости местных напряжений и местных токов в значительной степени забыты. На самом деле все может быть гораздо сложнее, чем предполагает изображение на краю».

Известно лишь несколько материалов, которые являются квантово-аномальными изоляторами Холла. В своей новой работе группа Новака сосредоточилась на легированном хромом теллуриде висмута и сурьмы – том самом соединении, в котором десятилетие назад впервые наблюдался квантовый аномальный эффект Холла.

Образец был выращен сотрудниками под руководством профессора физики Нитина Самарта из Университета штата Пенсильвания. Для сканирования материала Новак и Фергюсон использовали сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство своей лаборатории, или СКВИД, чрезвычайно чувствительный датчик магнитного поля, который может работать при низких температурах и обнаруживать пугающе крошечные магнитные поля. СКВИД эффективно отображает потоки тока – которые генерируют магнитное поле – и изображения объединяются для восстановления плотности тока.

«Токи, которые мы изучаем, действительно очень малы, поэтому это сложное измерение», — сказал Новак. «И нам нужно было снизить температуру ниже одного Кельвина, чтобы получить хорошее квантование в образце. Я горжусь тем, что нам это удалось».

Когда исследователи заметили, что электроны текут в объеме материала, а не по граничным краям, они начали копаться в старых исследованиях. Они обнаружили, что в годы, прошедшие после первоначального открытия квантового эффекта Холла в 1980 году, было много споров о том, где возникает поток – противоречие, неизвестное большинству молодых ученых-материаловедов, сказал Новак.

«Я надеюсь, что новое поколение, работающее над топологическими материалами, примет к сведению эту работу и возобновит дискуссию. Понятно, что мы даже не понимаем некоторых фундаментальных аспектов того, что происходит в топологических материалах», — сказала она. «Если мы не понимаем, как течет ток, что мы на самом деле понимаем об этих материалах?»