مقالات

فیزیکدانان رفتار توپولوژیکی الکترونها را در ماده مغناطیسی سه بعدی کشف می کنند

مقالات علمی با ترجمه مستقیم سایت بزرگ دنیای خوب زندگی

فیزیکدانان پرینستون رفتار توپولوژیکی الکترونها را در مواد مغناطیسی سه بعدی کشف می کنند

محققان دانشگاه پرینستون الکترونها را در یک ماده مغناطیسی در دمای اتاق کشف کردند و دریافتند که آنها درگیر رفتارهای کوانتومی انبوه به نام حلقه Weyl هستند. متوسط: محاسبه نظری پاسخ سیستم به میدانهای الکترومغناطیسی کاربردی. مکاتبات بین تصاویر فوقانی و میانی نشان می دهد که حلقه های کوانتومی ویل در قلب خواص عجیب الکترومغناطیسی آهنربای کوانتومی توپوگرافی قرار دارند. پایین: توزیع الکترونها روی سطح آهنربای کوانتومی توپولوژیکی. از ویژگی های واضح رنگ های روشن حلقه های کوانتومی ویل است. اعتبار: تیم تحقیقاتی محمد زاهد حسن

یک تیم بین المللی از محققان به رهبری دانشمندان دانشگاه پرینستون کشف کردند که یک ماده مغناطیسی در دمای اتاق ، الکترون ها را قادر می سازد تا به صورت معکوس رفتار کنند ، به صورت جمعی عمل کنند و نه به عنوان افراد. رفتار جمعی آنها از مولکول های بی جرم و ضد ذره ای که به طور غیر منتظره ای با هم همزیست هستند تقلید می کند و یک ساختار شبیه حلقه بیگانه را تشکیل می دهد.

کلید این رفتار توپولوژی است – شاخه ای از ریاضیات که قبلاً شناخته شده است نقش مهمی در دیکته کردن رفتار الکترون ها در بلورها دارد. مواد توپولوژیکی می توانند حاوی مولکولهای بدون جرم به شکل نور یا فوتون باشند. در کریستال توپوگرافی ، الکترونها اغلب برخلاف نور ، دارای یک بار الکتریکی ، مانند نور آهسته رفتار می کنند.

توپولوژی در مواد مغناطیسی به ندرت مشاهده می شود ، و یافتن ماده توپولوژیکی مغناطیسی در دمای اتاق گامی به جلو است که می تواند رویکردهای جدیدی را برای مهار مواد توپولوژیکی برای کاربردهای فناوری آینده ایجاد کند.

گفتم زاهد حسن ، استاد فیزیک یوجین هیگینز در دانشگاه پرینستون ، گفت: "قبل از این کار ، شواهدی از خصوصیات توپولوژیکی آهنرباها در سه بعد غیرقابل نتیجه بود. این یافته های جدید شواهد مستقیمی و تعیین کننده این پدیده را در سطح میکروسکوپی ارائه می دهد." چه کسی تحقیق را انجام داد. "این اثر قاره جدیدی را برای کاوش در آهنرباهای توپوگرافی گشوده است."

حسن و تیمش بیش از یک دهه در جستجوی وضعیت توپوگرافی کوانتومی به مطالعه مطالب کاندیدایی پرداختند.

"فیزیک آهنرباهای سست برای چندین دهه درک شده است. سؤال طبیعی برای ما این است: آیا خصوصیات مغناطیسی و توپولوژیکی می توانند در سه بعد چیزی جدید ایجاد کنند؟" حسن گفت.

محققان دریافتند که هزاران ماده مغناطیسی وجود دارند ، اما اکثر آنها خاصیت مناسبی ندارند. ساخت آهن ربا بسیار دشوار بود و مغناطیس به اندازه کافی درک نشده بود ، یا اینکه ساختار مغناطیسی خیلی پیچیده بود که از نظر تئوری دشوار باشد ، یا اینکه هیچ امضایی تجربی نمی تواند با قاطعیت برای توپولوژی مشاهده شود.

سپس یک نقطه عطف خوش شانس آمد.

ایلیا بلوبولسکی ، پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه حسن و نویسنده اولین نویسنده این مطالعه گفت: "ما پس از مطالعه بسیاری از مواد مغناطیسی ، ما یک کلاس از آهن ربا های دمای اتاق را اندازه گرفتیم و به طور غیر منتظره شاهد امضاهای الکترون های بدون جرم بودیم." "این ما را در مسیر کشف اولین مرحله مغناطیسی توپولوژیکی سه بعدی قرار داد."




محققان دانشگاه پرینستون دریافتند که چگونه الکترونها در ماده مغناطیسی سه بعدی (که توسط توپهای سبز ، قرمز و آبی نشان داده می شود) رفتار می کنند و دارای خصوصیات توپولوژیکی هستند. آنها کشف كردند كه الكترونها با هم در رفتار رفتار می كنند و از مولكول های بی جرم و ضد ذره هایی كه بطور غیر منتظره ای با هم همزیست می شوند ، تقلید می كنند و ساختاری عجیب مانند حلقه را تشکیل می دهند. اعتبار: مهندسی. گروه پژوهشی زاهد حسن ، دانشگاه پرینستون

کریستال مغناطیسی عجیب و غریب از کبالت ، منگنز و گالیم تشکیل شده است ، که به صورت منظم و با الگوی سه بعدی تکرار شده است. برای کشف وضعیت توپوگرافی ماده ، محققان از تکنیکی به نام طیف سنجی نور زاویه ای استفاده کردند. در این آزمایش ، نور با شدت بالا نمونه را روشن می کند و مجبور می شود الکترون ها از سطح خارج شوند. این الکترونهای ساطع شده سپس می توانند اندازه گیری شوند و اطلاعاتی در مورد چگونگی رفتار الکترون ها هنگام داخل کریستال ارائه می دهند.

دانیل سانچز ، محقق و پژوهشگر پرینستون ، می گوید: "این یک روش آزمایشی بسیار قدرتمند است." د. دانشجوی دانشگاه کپنهاگ و یکی دیگر از مؤلفان این مطالعه.

ایده اصلی پدیدار شد كه محققان از نزدیک فلیم های Weyl را مورد مطالعه قرار دادند و فهمیدند كه این آهنربا میزبان یك سری از نامحدودی از الکترونهای مجزا و بدون جرم حلقه ای است و برخی از الکترون ها از خواص ذرات و برخی از ذرات ضد تقلید می کنند. این رفتار کوانتومی انبوه الکترونها را حلقه مغناطیسی فرومی Vermeil می نامند.

Guo Qingchang ، پژوهشگر فوق دکترا با گروه حسن و اولین نویسنده مؤسسه تحقیق ، گفت: "این واقعا یک سیستم عجیب و جدید است." "رفتار الکترونی جمعی در این ذرات بر خلاف هر چیزی است که در تجربه روزانه ما برای ما آشنا نیست – یا حتی با تجربه فیزیکدانان ذره ای که در حال مطالعه ذرات زیر اتمی هستند. در اینجا ما با مولکول های نوظهور سروکار داریم که پیروی از قوانین طبیعت هستند."

معلوم است که عامل اصلی این خصوصیات یک مقدار ریاضی است که زنجیره نامحدود الکترون های بدون جرم را توصیف می کند. محققان با مشاهده تغییرات اندک در رفتار الکترون هایی که در سطح نمونه زندگی می کنند و در اعماق آن قرار دارند ، توانستند نقش توپولوژی را تعیین کنند. گروه حسن از تکنیک نشان دادن مقادیر توپوگرافی با استفاده از خصوصیات مختلف سطح و جرم استفاده کرد و در کشف ویل فریمونها ، نتیجه ای که در سال 2015 منتشر شد ، استفاده شد. این تیم اخیراً از روش مشابهی برای کشف کریستال سوم توپولوژیکی استفاده کرده است ، اثری که در ژورنال منتشر شده است. طبیعت در اوایل سال جاری ، وی همچنین گروه حسن را در پرینستون رهبری کرد و دانیل سانچز ، گووکینگ چانگ و ایلیا بلوبولسکی را به عنوان نویسندگان برجسته معرفی کرد.

پیش بینی های نظری

رابطه بین توپولوژی و مولکولهای حلقه کوانتومی مغناطیسی در پیش بینی های تئوریکی گروه حسن منتشر شده در اکتبر 2017 در نامه های بررسی فیزیکی. با این حال ، علاقه تئوریک این گروه به آهنرباهای توپولوژیکی خیلی زودتر به پیش بینی های نظری منتشر شده در گذشته برمی گردد مواد طبیعت در سال 2010 ، این آثار نظری از گروه حسن توسط دفتر انرژی وزارت انرژی ایالات متحده توسط وزارت انرژی ایالات متحده تأمین شد.

حسن گفت: "این کار اوج نزدیک به یک دهه به دنبال یک مرحله توپولوژیکی مغناطیسی سه بعدی است."

در سال 2016 ، دانکن هلدان ، استاد فیزیک در دانشگاه پرینستون شرمن فیرچیلد ، به خاطر تئوری های خود که جایزه مواد توپولوژیکی یک و دو بعدی را پیش بینی می کند ، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

فیزیکدانان پرینستون رفتار توپولوژیکی الکترونها را در مواد مغناطیسی سه بعدی کشف می کنند

محققان به سرپرستی آقای زاهد حسن (دوم از چپ) در اعتبار دانشگاه پرینستون: دنیس اپولایت ، دانشگاه پرینستون

جنبه مهم نتیجه این است که مواد مغناطیسی خود را تا 400 درجه سانتیگراد – بسیار بالاتر از دمای اتاق – حفظ می کند تا نیازهای اساسی کاربردهای فناوری در دنیای واقعی را برآورده کند.

"قبل از کار ما ، معمولاً هنگامی که فیلم های نازک از مواد بسیار سرد – بخشی از درجه بالاتر از صفر مطلق – به تجهیزات تخصصی نیاز دارند ، حتی به مقدار کمی گرما حالت مغناطیسی توپولوژیکی را بی ثبات می کند." "آهنربای کوانتومی مورد مطالعه در اینجا ، خصوصیات توپولوژیکی را در دمای اتاق نشان می دهد."

آهنربای توپولوژیکی سه بعدی نامعارف ترین امضاهای خود را فقط روی سطح آن نشان می دهد – عملکرد موج الکترون به صورت سر طبل ها شکل می گیرد. این در یک آهنربای قبلاً شناخته شده بی سابقه است و امضای مغناطیسی یک آهنربای توپولوژیکی را تشکیل می دهد. محققان چنین داده های الکترونیکی درامبی شکل را در داده های خود مشاهده کردند و مدارکی مهم ارائه کردند که یک مورد جدید از ماده است.

پاتریک لی ، استاد فیزیک ویلیام و اما راجرز در موسسه فناوری ماساچوست ، که در این مطالعه شرکت نکردند ، در مورد اهمیت نتیجه اظهار نظر کردند. لی گفت: "گروه پرینستون مدت هاست که در صدر کشف مواد جدید با خصوصیات توپولوژیکی قرار دارد." "با گسترش این کار به دمای اتاق مغناطیسی و نشان دادن نوع جدیدی از شرایط سطح سیلندر ، این کار زمینه جدیدی را برای اکتشافات بیشتر باز می کند."

محققان برای درک یافته های خود ترتیب اتم های موجود در سطح مواد را با استفاده از چندین تکنیک از جمله تأیید نوع صحیح تقارن با استفاده از میکروسکوپ تونل اسکن در آزمایشگاه کوانتومی حسن توپولوژیک و طیف سنجی پیشرفته واقع در زیرزمین سالن گادوین پرینستون مورد مطالعه قرار دادند.

یکی از مهمترین مشارکت کنندگان در این کشف جدیدترین طیف سنجی بود که برای انجام آزمایش مورد استفاده قرار گرفت. محققان از یک خط رادیوگرافیک اختصاصی از تصویربرداری با طیف نوری که اخیراً در Stanford Synchrotron Radiation Source Source ، بخشی از آزمایشگاه ملی شتاب SLAC در Menlo Park ، کالیفرنیا ایجاد شده است ، استفاده کردند.

بلوبولسکی گفت: "نوری که در آزمایش عکاسی SLAC استفاده شده بسیار روشن است و بر روی یک نقطه کوچک متمرکز است که فقط ده ها میلی متر قطر دارد." "این برای مطالعه مهم بود."

این کار با همکاری نزدیک با گروه پروفسور هسین لین در انستیتوی فیزیک ، آکادمیا سنکا در تایوان و پروفسور کلودیا فلسر در انستیتوی ماکس پلانک برای فیزیک شیمیایی جامدات در درسدن آلمان انجام شد ، از جمله پژوهشگر فوق دکترا Kaustoff مانا.

محققان با استفاده از پتانسیل کاربردهای شگفت انگیز ، یک قدم جلوتر رفتند و میدانهای الکترومغناطیسی را به آهنربای توپولوژیکی اعمال کردند تا ببینند که چگونه می تواند پاسخ دهد. آنها پاسخ الکترومغناطیسی عجیب و غریب به دمای اتاق مشاهده کردند ، که می توان مستقیماً بر روی الکترون های حلقه کوانتومی ردیابی کرد.

حسن گفت: "ما بسیاری از مواد توپولوژیکی داریم ، اما نشان دادن پاسخ الکترومغناطیسی واضح ناشی از توپولوژی دشوار بود." "ما در اینجا توانسته ایم این کار را انجام دهیم. این یک زمینه تحقیق کاملاً جدید برای آهنرباهای توپولوژیکی ایجاد می کند."

این تحقیق ، "کشف خطوط توپولوژی فرمی ویل و وضعیت سطح تمپان در آهن ربا در دمای اتاق" ، توسط الیجا بلپولسکی ، کوستوف مانا و دانیل اس. سانچز ، گووکینگ چانگ ، بندیکت ارنست ، جیاکسین یین ، سونگیتان چانگ ، چن ، تایلر کوکران ، نانا شومیا ، هائو چنگ ، ​​بهادور سینگ ، گوانگ بیان ، دانیل مولر ، ماکسیم لتسکوویچ ، شیائوتنگ زو ، شن مینگ هوانگ ، بائو کای وانگ ، تائو چانگ در 19 سپتامبر ، آرون بانسل ، کلودیا فلسر ، هسین لین و زاهد حسن ظاهر می شوند علم.


به زیر عایق های توپوگرافی نگاهی بیندازید


اطلاعات بیشتر:
"کشف خطوط توپوگرافیایی و موارد سطح غلتکی در آهنرباهای دمای اتاق" علم (2019) science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aav2327

ارسال شده توسط
دانشگاه پرینستون




استناد:
فیزیکدانان رفتار توپولوژیکی الکترونها را در ماده مغناطیسی سه بعدی کشف می کنند (2019 ، 19 سپتامبر)
برگرفته در 19 سپتامبر 2019
از https://phys.org/news/2019-09- فیزیکدانان- توپولوژی- رفتار- الکترونی- d.html

این سند مشمول حق چاپ است. جدا از هرگونه معاملات منصفانه به منظور مطالعه و تحقیق خود ، خیر
بخشی را می توان بدون اجازه کتبی تکثیر کرد. محتوا فقط برای اهداف اطلاعاتی ارائه می شود.

نوشته های مشابه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن