Topologisilla materiaaleilla on erikoisia ominaisuuksia, kuten erittäin nopeat elektronit, jotka kulkevat ilman energiahäviötä. Weylin puolimetalli on puolestaan topologisen materiaalin luokka, jossa elektroniset viritykset käyttäytyvät massattomina Weyl-fermioneina. Max Planck Instituten tutkijat ovat toteuttaneet magneettisen Weyl-puolimetallin kahdessa hyvin erilaisessa yhdisteessä.
Magneettisen Weyl-puolimetallin (WSM) ajatus on ollut tieteen fokuksessa jo jonkin aikaa, sillä ne ovat luontaisesti kvantteja. Samalla ne muodostavat sillan topologian ja spintroniikan välille. Äskettäin Max Planck Instituten Claudia Felserin ryhmä löysi kaksi magneettista puolimetallia - Co2MnGa ja Co3Sn2S2.
Yhteistyössä kansainvälisten tutkijaryhmien kanssa Claudia Felser -ryhmän tutkijat ovat kokeellisesti vahvistaneet magneettisten Weyl-fermionien olemassaolon näissä kahdessa materiaalissa. ARPES- ja STM-tutkimusjärjestelmien avulla havaittiin ensimmäistä kertaa magneettisen Weyl-puolimetallin symmetrian murtuneet tilat.
Nämä tässä vaiheessa enemmän tieteelliset tulokset viittaavat vahvasti vuorovaikutuksessa olevien elektronien ja topologian rikkaaseen vuorovaikutukseen kvanttiaineissa.
- Magneettisten Weyl-puolimetallien löytäminen on iso askel kohti korkean lämpötilan kvantti- ja spintronisia vaikutuksia. Nämä kaksi materiaalia, jotka ovat erittäin viritettävien Heusler- ja Shandite-perheiden jäseniä, ovat ihanteelliset alustat erilaisiin tulevaisuuden sovelluksiin spintronisissa ja magneto-optisissa tekniikoissa. Niitä voidaan käyttää datan tallentamiseen ja tietojenkäsittelyyn, selventää Stuart Parkin, Max Planck -instituutin fysiikan tutkimuksen johtaja.
Tietyillä Weyl-kaistarakenteilla Co2MnGa ja Co3Sn2S2 ovat ainoat kaksi tällä hetkellä tunnettua esimerkkiä materiaaleista, joissa esiintyy sekä suuri epätavallinen Hall-johtavuus että epätavallinen Hall-kulma.
- Näillä materiaaleilla on korkean lämpötilajärjestyksen luonnollisia etuja ja selkeä topologinen kaistarakenne, mutta matala varauksenkantajatiheys ja vahva sähkömagneettinen vaste. Seuraava askel on sellaisen materiaalin suunnittelu, jolla on kvanttianomaalinen Hall-vaikutus (QAHE) korkeassa lämpötilassa magneettisen Weyl-puolimetallien kvanttirajoittamisen avulla ja sen integrointi kvanttilaitteisiin, kertoo tutkijaryhmän johtaja Claudia Felser.
QAHE:n toteuttaminen huoneenlämpötilassa ylittäisi monet nykypäivän datatekniikoiden rajoitukset, joihin vaikuttaa suuri elektronien sironnan aiheuttama tehonhäviö. Tämä tasoittaisi tietä uuden sukupolven vähän energiaa kuluttaville kvanttielektroniikalle ja spintronisille laitteille.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 8.10.2019
