Топологические изоляторы научились запускать по поверхности спиновые волны
Электроны способны образовывать хиральные спиновые волны в поверхностных проводящих слоях топологических изоляторов. Группа американских физиков обнаружила этот эффект экспериментально, изучив свойства бездефектного селенида висмута. Работа опубликована в Physical Review Letters.
Трехмерные
топологические изоляторы — диэлектрические
материалы, на поверхности которых образуется очень тонкий устойчивый проводящий слой. Несмотря на то, что у топологических изоляторов уже открыто довольно много интересных свойств (например, в них впервые удалось обнаружить майорановские фермионы), а в 2016 году за изучение топологических фазовых переходов вручили Нобелевскую премию, коллективные спиновые эффекты (такие, как спиновые волны в магнитных материалах) в них пока не наблюдались. Если в магнетиках они проявляются при воздействии внешнего магнитного поля, то для немагнитных диэлектрических материалов возможность их образования объясняется спин-орбитальным взаимодействием.
В своей новой работе ученые из США смогли получить кристалл селенида висмута Bi2Se3 с очень низкой концентрацией селеновых вакансий. Этот материал стал первым трехмерным топологическим изолятором, в котором ученым удалось обнаружить формирование поверхностных хиральных спиновых волн. Для этого ученые использовали рамановскую спектроскопию с поляризационной чувствительностью — метод, который как раз позволяет оценить коллективные спиновые и зарядовые эффекты в твердых телах.
Частота возбуждающего света выбиралась таким образом, чтобы соответствовать переходу между двумя типами возможных энергетических состояний: одного энергетического уровня вблизи уровня Ферми селенида висмута и второго — с энергией на 1,8 электронвольта над ним. В результате ученые смогли
измерить характерный резонансный пик в рамановском спектре при 150 миллиэлектронвольтах.
Наиболее выражен обнаруженный эффект оказался при довольно низких температурах (около 15 кельвинов), но сохраняется он и при повышении температуры до комнатной. В отличие от, например, поверхностного плазмона, возникающая хиральная спиновая волна аналогична спиновым волнам в ферми-жидкости, где роль магнитного поля по образованию упорядоченной структуры берет на себя спин-орбитальное взаимодействие. По словам ученых, найденные поверхностные спиновые волны могут в дальнейшем быть использованы, например, для передачи информации в электронных устройствах с очень низкими энергетическими потерями.
Если сам селенид висмута является топологическим изолятором, то при небольшом легировании его стронцием, ниобием или медью, он становится сверхпроводником с довольно необычными свойствами.
В частности, верхнее критическое поле в таком сверхпроводнике зависит от кристаллографического направления.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Международная группа ученых с участием физиков СПбГУ открыла новый класс материалов
Международная группа ученых, куда вошли физики СПбГУ, открыла новый класс материалов, которые являются одновременно антиферромагнетиками и топологическими изоляторами. Синтезированный исследователями монокристалл может найти применение в создании супербыстрых элементов памяти, устройств спинтроники, квантовых компьютеров и даже детектора темной материи, сообщает пресс-служба СПбГУ.
Ученые из лаборатории электронной и спиновой структуры
наносистем СПбГУ, которой руководит профессор Университета Страны
Басков Евгений Чулков, отмечают, что работали над этим
результатом несколько лет. Сначала существование монокристаллов
с необычными свойствами было предсказано теоретически, затем
их удалось синтезировать в лабораторных условиях —
в Техническом университете Дрездена и Азербайджанском
государственном университете нефти и промышленности.
Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Хорошо известно, что ферромагнетики — это материалы,
в которых магнитные моменты всех атомов сонаправлены, они
создают макроскопическое магнитное поле в материале.
Из них, например, сделаны жесткие диски компьютеров.
А вот в антиферромагнетиках все иначе: там магнитные
моменты атомов противонаправлены, поэтому они не создают
внешнего магнитного поля, которое, кстати, негативно влияет
на элементы электроники. Возможно, именно
из антиферромагнетиков в будущем будут делать
запоминающие устройства: в отличие от ферромагнетиков
такие устройства памяти можно ставить сколько угодно близко
и плотно, а также сколько угодного много рядом друг
с другом, увеличивая мощность компьютера.
К тому же резонансная частота
у антиферромагнетиков не гигагерцовая,
а терагерцовая — значит, устройства
на их основе будут работать в 1000 раз быстрее,
чем классические.
С другой стороны, монокристалл еще является топологическим
изолятором — особенными материалом, электроны
на поверхности которого ведут себя принципиально иначе, чем
электроны внутри монокристалла: снаружи это очень тонкий
проводящий слой, а внутри — полупроводник. Именно эти
уникальные поверхностные электроны, формирующие так называемый
конус Дирака, и были измерены в лаборатории СПбГУ. Что
важно, даже если поверхность материала разрушается,
он не теряет свои свойства и остается
топологически защищенным. Это свойство может пригодиться при
разработке квантовых компьютеров: сегодня одна из главных
проблем в создании таких вычислительных машин связана
с тем, что кубит — единица хранения информации —
подвержен декогеренции, то есть по законам квантового
мира со временем разрушается. Но если сделать кубит
на основе топологического изолятора, теоретически этой
проблемы можно будет избежать.
«Если слои, которые связаны антиферромагнитно, разделить слоями топологического изолятора, мы сможем создавать уникальные магнитные характеристики материала с постепенным переходом от антиферромагнетизма к двумерному ферромагнетизму. Это абсолютно новая система с новыми свойствами, которые по большому счету даже пока не открыты», — рассказал заместитель руководителя лаборатории профессор Александр Шикин.
Кстати, физикам уже удалось наблюдать этих монокристаллах
квантовый аномальный эффект Холла. В физике твердого тела
классический эффект Холла заключается в том, что, если
к материалу, помещенному в магнитное поле, приложить
внешнее напряжение, то появляется ток, перпендикулярный
этому напряжению. Его используют, например, в магнитометрах
смартфонов и в системах электронного зажигания
двигателей внутреннего сгорания. Также существует квантовый
эффект Холла, однако именно квантовый аномальный эффект Холла
ранее никогда не наблюдали в системах, где магнитный
слой точно упорядочен, как в монокристалле MnBi2Te4.
Новый материал MnBi2Te4, сочетающий антиферромагнитные (противоположно направленные магнитные моменты) и топологические свойства – конус Дирака.
Кроме того, отмечают исследователи, полученный монокристалл может
дать толчок в развитии физики элементарных частиц: есть
надежда, что топологические изоляторы помогут экспериментально
обнаружить фермионы Майораны — особые частицы, которые
являются одновременно античастицами. Они были гипотетически
предсказаны еще в 1930-х годах итальянским физиком Этторе
Майораной, однако до сих пор не были обнаружены.
Согласно теоретическим работам, майорановский фермион может
существовать как квазичастица в топологических изоляторах.
«Другой интересный пример — есть теоретическая работа, которая говорит о том, что на основе нашего материала можно сделать детектор темной материи, — рассказал ассистент лаборатории кандидат физико-математических наук Илья Климовских. — Так как это магнитный топологический изолятор, то в нем возможна реализация фазы аксионного изолятора, на основе которого можно реализовать детектор темной материи с определенным диапазоном, который пока еще не существует. Это очень неожиданно, но такие работы могут появляться, потому что свойства у материала совершенно новые и уникальные».
В Санкт-Петербургском государственном университете ученые
проводили измерения магнитных характеристик нового монокристалла,
а также его фотоэлектронных спектров: помогло оборудование
ресурсных центров Научного парка СПбГУ — «Физические
методы исследования поверхности» и «Центр диагностики
функциональных материалов для медицины, фармакологии
и наноэлектроники».
Интересно, что предварительный вариант
научной статьи (препринт), который появился в открытом
доступе еще до публикации, был процитирован более
60 раз. Всего в научную коллаборацию под руководством
профессора СПбГУ Евгения Чулкова вошли 22 исследовательские
организации со всего мира.
«Такое количество организаций, участвующих в одной публикации в области конденсированной материи, может показаться необычным. Однако для эффективного решения сложных проблем в современной науке о твердом теле требуются объединенные усилия различных высокопрофессиональных коллективов, которые включают в себя теоретиков, химиков, физиков и материаловедов. Эта тенденция будет только усиливаться в обозримом будущем», — отметил Евгений Чулков.
электромагнетизм – Изоляторы магнитного поля
Вопрос
Изменено 4 года, 1 месяц назад
Просмотрено 8k раз
$\begingroup$
Мне интересно, есть ли способ остановить магнитное поле, не превращая изолятор в магнит.
Позвольте мне представить это как простой случай, есть магнит слева и кусок железа справа, могу ли я поместить что-нибудь между ними, чтобы магнит не притягивал кусок железа, при условии, что изолятор не выдержит? тоже не превратиться в магнит?
Я открыт для всех возможностей, приветствуются любые материалы, электрические поля или что-либо, что может остановить магнитное поле, не повреждая магнит или кусок железа.
- электромагнетизм
- магнитные поля
- изоляторы
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Лучше всего подходят мю-металлы, хотя в некоторых ситуациях могут пригодиться и сверхпроводники.
Вы можете думать, что мю-металлы перенаправляют магнитное поле, а не нейтрализуют его. Так что, если у вас просто есть плоский кусок мю-металла между магнитом и вашим куском железа, вы все равно получите разумную величину магнитного поля — ему просто нужно «пройти дальше», чтобы добраться до железа, поэтому он будет быть слабее.
Обычный дизайн для экранирования представляет собой коробку, в которой заключено все, что вы хотите экранировать.
С другой стороны, приближение сверхпроводника к магниту просто компенсирует изменения магнитного поля внутри самого сверхпроводника. Обычно это менее полезно для вашей проблемы, но может быть применимо для других приложений, которые могут вам понадобиться. В частности, если вам нужно устранить поля из полости внутри материала, это может работать лучше, чем мю-металл.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Не существует материала, который может полностью блокировать магнитное поле, однако есть материалы, которые могут перенаправлять магнитные поля и действовать как «магнитный щит». Эти материалы обычно представляют собой материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как воздух. Для получения дополнительной информации см.
здесь.
$\endgroup$
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
электромагнетизм – Может ли изолятор иметь магнитные полюса?
Спросил
Изменено 6 лет, 8 месяцев назад
Просмотрено 4k раз
$\begingroup$
Можно ли сделать изолятор двухполюсным, как магнит?
Если да, то как это сделать?
- электромагнетизм
- магнитные поля
$\endgroup$
$\begingroup$
В принципе я не вижу причин, почему изолятор не может быть магнитным, но на практике все чистые материалы, являющиеся ферромагнетиками, кажутся проводниками.
Это включает железо, никель, кобальт и гадолиний. Даже известные пластмассовые магниты являются проводниками или полупроводниками (см. http://en.wikipedia.org/wiki/Plastic_magnet)
Магнетизм может быть вызван циркулирующим электрическим током вокруг катушки. В этом случае материал явно должен быть проводником. В железных магнитах магнитное поле создается за счет выравнивания спинов атомов, поэтому ток, создающий магнитное поле, на самом деле представляет собой просто электроны, вращающиеся вокруг ядра. Он будет электрическим проводником только в том случае, если электроны могут свободно перемещаться между атомами. Свойства материалов, которые позволяют выровнять атомы, совпадают со свойствами, делающими возможной электрическую проводимость, но я не думаю, что существует какой-то общий закон физики, который говорит, что это должно быть так.
Одним из решений может быть приготовление смеси мелких железных опилок в пластиковом изоляторе. Железные опилки могут быть намагничены, но пластик сделает материал изолятором.
Нейтроны обладают небольшим магнитным моментом, поэтому, в принципе, вы можете выстроить их в линию в магнитном поле и выключить поле, чтобы оставить остаточный магнетизм. Поскольку они нейтральны, они не могут проводить ток. Это может не считаться изоляционным материалом в обычном смысле.
$\endgroup$
3
$\begingroup$
тебе бы объяснить что ты имеешь в виду под полюсами. Изоляторы по своей сути не создают вокруг себя какого-либо внутреннего «поля изолятора», поэтому это несуществующее поле также не может иметь никаких полюсов. Изолятор — это материал, который не проводит ни тепло, ни электричество.
Другое дело, могут ли изоляторы вести себя как дипольные источники известных полей, таких как электрические и магнитные поля.
Во-первых, известные мне постоянные магниты всегда должны проявлять ферромагнетизм или сверхпроводимость.
Ферромагнетики похожи на железо; сверхпроводящие материалы… также являются проводящими. Я считаю, что постоянные магниты должны быть проводниками. Ведь если удается изменить намагниченность, значит, изменяется и угловой момент электронов или их спин. Если это возможно в атоме, то, я думаю, электроны могут эффективно перепрыгнуть и на соседний атом. Но даже если это доказательство не является полным, я думаю, что постоянные магниты должны быть проводниками точно так же, как железо. Насколько я знаю, нет известного контрпримера.
Еще одна вещь, которую могут иметь изоляторы, это электрические диполи. Да, изоляторы могут действовать как электрические диполи, но только во внешнем электрическом поле: относительное положение электронов в каждом атоме немного смещается относительно ядер. Этот эффект известен как поляризация.
Однако они не остаются электрическими диполями. Они не являются постоянными диполями. Если материал не является проводником (электричества), это означает, что его электроны не могут много двигаться, поэтому они сидят в своих молекулах, и в каждой молекуле есть энергетически оптимальное положение, в котором они хотят сидеть.
