Исследователи из Корнеллского университета использовали магнитную визуализацию, чтобы впервые напрямую наблюдать, как электроны движутся в изоляторе особого типа, что позволило им обнаружить, что транспортный ток течет внутри материала, а не по краям, как давно предполагали ученые.

Это открытие проливает свет на динамику электронов в квантовых аномальных изоляторах Холла и помогает разрешить многолетнюю дискуссию о том, как протекает ток в более общих квантовых изоляторах Холла. Эти идеи послужат основой для разработки топологических материалов для квантовых устройств следующего поколения.

Статья исследовательской группы была недавно опубликована в журнале Nature Materials. Первым автором статьи является Мэтт Фергюсон, доктор философии. в течение 22 лет и в настоящее время является постдокторантом в Институте химической физики твердого тела Макса Планка в Германии.

Квантовый эффект Холла

Проект, возглавляемый Катей Новак, доцентом кафедры физики Колледжа искусств и наук и старшим автором статьи, основан на так называемом квантовом эффекте Холла. Квантовый эффект Холла, впервые обнаруженный в 1980 году, вызывает необычное явление, когда магнитное поле действует на конкретный материал: внутренняя часть объемного образца становится изолятором, а электрический ток движется в одном направлении вдоль внешнего края. Сопротивление квантуется или ограничивается значением, определяемым фундаментальной универсальной константой, и падает до нуля.

Квантовые аномальные изоляторы Холла, впервые обнаруженные в 2013 году, достигают того же эффекта за счет использования намагниченных материалов. Квантование все еще происходит, продольное сопротивление исчезает, и электроны ускоряются по краю, не рассеивая энергию, что-то вроде сверхпроводника.

Разрушьте популярные представления

«Картина тока, текущего по краю, является хорошим объяснением того, как происходит квантование. Но оказывается, что это не единственная картина, которая может объяснить квантование», — сказал Новак. «Эта краевая картина доминировала со времени впечатляющего развития топологических изоляторов в начале этого столетия. Сложность локальных напряжений и локальных токов была в значительной степени забыта. На самом деле, эти ситуации могут быть гораздо более сложными, чем предполагает краевая картина».

В настоящее время известно лишь несколько материалов, которые являются квантово-аномальными изоляторами Холла. В своей новой работе команда Новака сосредоточилась на легированном хромом теллуриде висмута и сурьмы — том самом соединении, у которого впервые наблюдался квантовый аномальный эффект Холла десять лет назад.

Образец был выращен сотрудниками под руководством профессора физики штата Пенсильвания Нитина Самарта. Для сканирования материала Новак и Фергюсон использовали сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (СКВИД) в своей лаборатории — чрезвычайно чувствительный датчик магнитного поля, который может работать при криогенных температурах и обнаруживать пугающе крошечные магнитные поля. СКВИД эффективно отображает поток тока (который отвечает за магнитное поле), а затем объединяет эти изображения для восстановления плотности тока.

«Токи, которые мы изучали, были очень, очень малыми, поэтому их было трудно измерить», — сказал Новак. «Нам нужно было провести качественную количественную оценку образца при температуре ниже одного Кельвина. Я горжусь тем, что нам это удалось».

Открытие и будущее влияние

Когда исследователи заметили, что электроны движутся по объему материала, а не по краям, они начали изучать предыдущие результаты. Они обнаружили, что в годы после того, как в 1980 году был впервые открыт квантовый эффект Холла, было много споров о том, где происходит поток электронов, споров, о которых большинство молодых ученых-материаловедов не подозревали.

«Я надеюсь, что новое поколение, работающее над топологическими материалами, обратит внимание на эту работу и возобновит дискуссию. Ясно, что мы даже не понимаем некоторые очень фундаментальные аспекты того, что происходит с топологическими материалами», — сказала она. «Если мы не понимаем, как течет электричество, что мы на самом деле знаем об этих материалах?

Ответы на эти вопросы могут также иметь отношение к созданию более сложных устройств, таких как гибридные методы, которые соединяют сверхпроводники с квантово-аномальными изоляторами Холла для создания более экзотических состояний материи.

«Мне было бы интересно узнать, применимы ли наблюдаемые нами явления к разным материальным системам. Возможно, в некоторых материалах ток течет по-разному», — сказал Новак. «Для меня это подчеркивает привлекательность топологических материалов — их поведение при электрических измерениях определяется очень общими принципами, независимыми от микроскопических деталей. Однако понимание того, что происходит на микроскопическом уровне, имеет решающее значение как для нашего фундаментального понимания, так и для приложений. Именно это взаимодействие общих принципов и нюансов делает изучение топологических материалов таким увлекательным и захватывающим».