Квантово-метрический нелинейный эффект Холла в топологической антиферромагнитной гетероструктуре
Международная группа исследователей, включая команду из Центра развития топологических полуметаллов (CATS), энергетического исследовательского центра при Управлении науки Министерства энергетики США, возглавляемого Национальной лабораторией Эймса, экспериментально продемонстрировала новый тип нелинейного эффекта Холла. Этот эффект Холла обусловлен квантовой метрикой, которая определяет расстояния между электронными волновыми функциями внутри кристалла. Экспериментальную работу возглавляли ученые Гарвардского университета, а теоретическое моделирование разрабатывалось в лаборатории Эймса. Этот проект представляет собой первое экспериментальное доказательство нелинейного эффекта Холла, который до сих пор был только теоретически обоснован.
(а) Показано, как материалы наслаиваются в гетероструктуре с шестью магнитными семеричными слоями MBT (SL) и слоями BP сверху и снизу.
(b) Показано расположение атомов в одной MBT SL.
(c) Показывает расположение атомов в BP.
Фото: Национальная лаборатория Эймса Министерства энергетики США.
Питер Орт, руководивший теоретическими исследованиями в Эймсе в рамках проекта CATS, объяснил, что теоретическое моделирование было необходимо, чтобы понять, что происходило во время эксперимента. Орт и постдокторант Таис В. Тревизан использовали свой опыт, чтобы разгадать сложные взаимодействия, выявленные в ходе экспериментов.
Материал, использованный для данного исследования, состоит из марганца-висмут-теллура (MnBi2Te4 или МБТ). Чтобы увидеть это явление, Орт объяснил, что образец должен обладать особой симметрией. Орт сказал: «Но если вы просто возьмете чистый ОБТ, это явление на самом деле равно нулю по симметрии». Так, экспериментаторы добавили сверху и снизу ОБТ слои черного фосфора (БП), имеющего разную симметрию. БП взаимодействует с ОБТ, нарушая симметрию и приводя к ненулевому нелинейному отклику Холла.
По мнению Орта, целью этого эксперимента было понять происхождение квантово-метрического нелинейного эффекта Холла. Они хотели понять, вызвано ли это напряжением решетки или электронным смешиванием между слоями MBT и BP.
«Наш вклад заключался в теоретическом моделировании этой системы. Это довольно сложно, потому что у нас есть два материала, MBT и BP, которые имеют разные постоянные решетки и разную симметрию», — сказал Орт. «Это похоже на инженерную задачу».
«Когда вы соединяете две системы, у вас по сути одна решетка, вызывающая напряжение в другой системе и уменьшающая симметрию. Это похоже на эффект, когда вы перемещаете атомы», — объяснил Орт. «Или у вас может быть электронная связь, так что электроны перепрыгивают из одного слоя решетки в другую часть системы и возвращаются обратно, и это будет больше похоже на смешивание электронных состояний».
Включение в модель как деформации решетки, так и электронного смешивания сделало ее еще более сложной: «Но это электронное смешивание очень важно для того, чтобы уловить эти экспериментально наблюдаемые эффекты», — сказал Орт. Расчеты показали, что это явление возникает как из-за напряжения между двумя разными решетками, так и из-за электронного смешивания с различными экспериментальными особенностями, связанными с двумя механизмами.
Команде удалось доказать, что экспериментальные результаты основаны на квантово-метрическом нелинейном эффекте Холла. Директор CATS и профессор ISU Роб МакКуини сказал: «Результаты лежат в основе того, чего мы пытаемся достичь в CATS. Новые материалы с захватывающими и предсказуемыми реакциями, такие как квантово-метрический эффект Холла, ждут открытия и в конечном итоге могут послужить будущими платформами для электронных компонентов или датчиков».
Это исследование далее обсуждается в статье «Квантовый метрический нелинейный эффект Холла в топологической антиферромагнитной гетероструктуре », написанной Анюань Гао и др. и опубликованной в журнале Science
