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对磁性的古怪反应提出了量子物理学的奥秘

搜索正在进行中,以发现新的物质状态,并可能发现编码,处理和传输信息的新方法。一个目标是利用材料的量子特性进行通信,这超出了传统电子学所能提供的范围。拓扑绝缘体(主要充当绝缘体但在其表面上承载电流的材料)提供了诱人的可能性。

彼得·约翰逊说:“探索拓扑材料的复杂性,以及诸如磁性和超导性等其他有趣的新兴现象,是美国能源部布鲁克海文国家实验室材料科学界关注的最令人兴奋和最具挑战性的领域之一。”是位于布鲁克海文的凝聚态物理与材料科学系的高级物理学家。“我们试图了解这些拓扑绝缘子,因为它们具有很多潜在的应用,特别是在量子信息科学领域,这是该部门重要的新领域。”

例如,具有这种分离的绝缘体/导体特性的材料在其表面电子的能量特征中表现出具有相反“自旋”的分离。可以在“自旋电子”设备中利用此量子属性来编码和传输信息。更进一步,将这些电子与磁性耦合会导致新颖而令人兴奋的现象。

与约翰逊合作的博士后研究员丹·内夫拉说:“当表面附近有磁性时,由于拓扑绝缘体与磁性的耦合会产生其他奇特的物质状态。” “如果我们能找到具有自身固有磁性的拓扑绝缘子,那么我们应该能够在特定方向上有效地传输特定自旋的电子。”

内夫拉·约翰逊(Nevola,Johnson)及其合著者在刚刚发表并作为《物理评论快报》的编辑建议中强调的一项新研究中,描述了这种磁性拓扑绝缘子的古怪行为。该论文包括实验证据,表明碲化锰铋(MnBi2Te4)的内在磁性也扩展到其导电表面上的电子。先前的研究对于表面磁性是否存在尚无定论。

但是,当物理学家测量表面电子对磁场的敏感性时,只有两个观察到的电子态之一表现出预期的行为。另一个表面状态,预计会产生较大的响应,就像没有磁性一样。

“表面的磁性不同吗?还是我们只是不了解某些奇特的东西?” 内华拉说。

约翰逊倾向于异乎寻常的物理学解释:“丹进行了非常仔细的实验​​,这使他能够观察表面区域的活动并识别该表面上的两种不同的电子状态,一种可能存在于任何金属表面上,而另一种可以反射。该材料的拓扑特性。”他说。“前者对磁性很敏感,这证明了磁性确实存在于表面中。但是,我们期望更敏感的另一种则根本没有任何敏感性。因此,必定存在一些奇异的物理学! ”

测量

科学家们使用各种类型的光发射光谱法对材料进行了研究,其中紫外线激光脉冲发出的光将电子从材料表面散发出来,敲击到检测器中进行测量。

布鲁克·海文国家实验室凝聚态物理与材料科学系的博士后研究员丹·内夫拉(Dan Nevola)是一篇新论文的主要作者,该论文描述了磁拓扑绝缘子的古怪量子行为。图片来源:布鲁克海文国家实验室

Nevola解释说:“对于我们的一项实验,我们使用了一个额外的红外激光脉冲,使样品稍稍有一点动动,即可使一些电子在周围移动。” “它需要一些电子并将它们(在能量中)激发成导电电子。然后,在非常短的时间尺度(皮秒)内,您可以进行测量以查看电子态如何响应而变化。”

激发电子的能级图显示了两个不同的表面带,每个表面带显示独立的分支,每个分支中的电子具有相反的自旋。预计这两个频带分别代表两个电子状态之一,它们会对磁性的存在做出响应。

为了测试这些表面电子是否确实对磁性敏感,科学家将样品冷却到25开尔文,使其固有的磁性得以显现。但是,只有在非拓扑电子状态下,他们才能在频谱的预期部分中看到“缺口”。

内夫拉说:“在这样的间隙内,电子被禁止存在,因此它们从光谱的那部分消失代表了间隙的特征。”

观察到在规则表面状态下出现的间隙是磁敏性的确定证据,并且证明了这种特殊材料的主体固有的磁性扩展到其表面电子。

但是,科学家研究的“拓扑”电子状态没有显示出对磁性的这种敏感性-没有间隙。

约翰逊说:“这带来了一个问号。”

约翰逊继续说:“这些是我们希望能够理解和设计的特性,就像我们为各种技术设计半导体的特性一样。”

例如,在自旋电子学中,其想法是使用不同的自旋状态以当前在半导体器件中使用正负电荷来编码计算机代码的“位”(1和0)的方式来编码信息。但是自旋编码的量子位或量子位具有更多可能的状态,而不仅仅是两个。这将极大地扩展以新的强大方式对信息进行编码的潜力。

约翰逊说:“关于磁性拓扑绝缘子的一切似乎都适用于这种技术应用,但是这种特殊的材料并不完全遵守规则。”

因此,现在,随着团队继续寻找新的物质状态和对量子世界的进一步见解,现在有一种新的紧迫性来解释这种特殊材料的古怪的量子行为。

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