Onderzoekers van Cornell University hebben met behulp van magnetische beeldvorming voor het eerst direct waargenomen hoe elektronen in een speciaal type isolator stromen. Hierdoor konden ze ontdekken dat de transportstroom door het binnenste van het materiaal vloeit en niet langs de randen, zoals wetenschappers lang hebben aangenomen.

De ontdekking werpt licht op de elektronendynamica in kwantum-abnormale Hall-isolatoren en helpt een decennia lang debat op te lossen over hoe stroom vloeit in meer algemene kwantum-Hall-isolatoren. Deze inzichten zullen de ontwikkeling van topologische materialen voor kwantumapparaten van de volgende generatie informeren.

Het artikel van het onderzoeksteam is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials. De eerste auteur van het artikel is Matt Ferguson, een Ph.D. al 22 jaar en momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut voor Solid State Chemical Physics in Duitsland.

Quantum Hall-effect

Het project, geleid door Katja Nowack, assistent-professor natuurkunde aan het College of Arts and Sciences en senior auteur van het artikel, is ontstaan ​​uit wat bekend staat als het quantum Hall-effect. Het quantum Hall-effect, voor het eerst ontdekt in 1980, veroorzaakt een ongewoon fenomeen wanneer een magnetisch veld inwerkt op een specifiek materiaal: de binnenkant van een bulkmonster wordt een isolator, terwijl de elektrische stroom in één richting langs de buitenrand beweegt. De weerstand wordt gekwantiseerd of beperkt tot een waarde die wordt gedefinieerd door een fundamentele universele constante, en daalt naar nul.

Quantum afwijkende Hall-isolatoren, voor het eerst ontdekt in 2013, bereiken hetzelfde effect door gemagnetiseerde materialen te gebruiken. Kwantisering vindt nog steeds plaats, de longitudinale weerstand verdwijnt en elektronen versnellen langs de rand zonder energie te dissiperen, ongeveer zoals bij een supergeleider.

Doorbreek populaire opvattingen

"Het beeld van de stroom die langs een rand vloeit, is een goede verklaring van hoe kwantisering plaatsvindt, maar het blijkt dat dit niet het enige beeld is dat de kwantisering kan verklaren," zei Novak. "Dit randbeeld domineert sinds de spectaculaire opkomst van topologische isolatoren aan het begin van deze eeuw. De complexiteit van lokale spanningen en lokale stromen is grotendeels vergeten. In feite kunnen deze situaties veel complexer zijn dan het randbeeld suggereert."

Van slechts een paar materialen is momenteel bekend dat ze kwantum-abnormale Hall-isolatoren zijn. In hun nieuwe werk concentreerde het team van Nowak zich op met chroom gedoteerd bismut-antimoontelluride - dezelfde verbinding waarvan tien jaar geleden voor het eerst werd waargenomen dat deze het kwantum-abnormale Hall-effect had.

Het monster werd gekweekt door medewerkers onder leiding van natuurkundeprofessor Nitin Samart van Penn State. Om het materiaal te scannen, gebruikten Nowak en Ferguson het Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) van hun laboratorium, een extreem gevoelige magnetische veldsensor die kan werken bij cryogene temperaturen en de angstaanjagend kleine magnetische velden kan detecteren. SQUID brengt effectief de stroom in beeld (die verantwoordelijk is voor het magnetische veld) en combineert deze beelden vervolgens om de stroomdichtheid te reconstrueren.

"De stromingen die we bestudeerden waren heel erg klein, dus ze waren moeilijk te meten", zei Novak. "We moesten een goede kwantificering van het monster hebben bij temperaturen onder de één Kelvin. Ik ben er trots op dat we dat hebben gedaan."

Ontdekking en toekomstige impact

Toen de onderzoekers merkten dat elektronen in het grootste deel van het materiaal stroomden, in plaats van aan de randen, begonnen ze naar eerdere bevindingen te kijken. Ze ontdekten dat er in de jaren nadat het quantum Hall-effect voor het eerst werd ontdekt in 1980, veel discussie was over waar de elektronenstroom plaatsvond, een debat waar de meeste jonge materiaalwetenschappers zich niet van bewust waren.

"Ik hoop dat de nieuwe generatie die aan topologische materialen werkt, dit werk zal opmerken en het debat zal heropenen. Het is duidelijk dat we een aantal zeer fundamentele aspecten van wat er in topologische materialen gebeurt niet eens begrijpen", zei ze. "Als we niet begrijpen hoe elektriciteit stroomt, wat weten we dan echt over deze materialen?

Het beantwoorden van deze vragen kan ook relevant zijn voor het maken van complexere apparaten, zoals hybride technieken die supergeleiders koppelen aan kwantum-abnormale Hall-isolatoren om meer exotische toestanden van materie te creëren.

"Ik zou graag willen weten of de verschijnselen die we hebben waargenomen van toepassing zijn op verschillende materiaalsystemen. Misschien stroomt de stroom in sommige materialen anders", zei Novak. "Voor mij benadrukt dit de fascinatie van topologische materialen: hun gedrag bij elektrische metingen wordt bepaald door zeer algemene principes, onafhankelijk van microscopische details. Begrijpen wat er op microscopische schaal gebeurt, is echter cruciaal, zowel voor ons fundamentele begrip als voor toepassingen. Dit samenspel van algemene principes en nuances maakt de studie van topologische materialen zo fascinerend en fascinerend."