Újabb wigneres cikk a Nature Communications folyóiratban

kedd, 2015, április 14

Romhányi Judit és R. Ganes (Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, Dresden) és Penc Karlo (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest) munkája a "Triplett gerjesztések Hall effektusa dimerizált mágneses kvantum rendszerben" április 13-án, hétfőn jelent meg a rangos Nature Communications folyóiratban.

Edwin Hall 1879-ben fedezte fel a később róla elnevezett effektust: mágneses térbe vékony aranyfóliát helyezett, és megfigyelte, hogy átfolyó áram hatására a fólián keresztben feszültségkülönbség alakul ki. A jelenség klasszikus magyarázata szerint az elektromos áramot hordozó elektronokat a mágneses tér oldalirányba kitéríti.

A Hall effektus ismét előtérbe került, amikor 1980-ban Klaus von Klitzing és csoportja felfedezte a kvantumos Hall effektust: a Hall-vezetőképesség egy elemi kvantum egész számú többszöröse  (felfedezéséért 1985-ben Nobel díjat kapott). A kvantumjelenség magyarázata többek között Robert Laughlin nevéhez fűződik (Nobel díj 1998): a kvantumos effektusban megjelenő egész számok úgynevezett topologikus kvantum számok, amelyek az elektronok hullámfüggvényeit jellemzik az anyagban. A topologikus kvantumszámokra úgy tekinthetünk, mint egy bögre fülén átfűzött madzagra : a madzagot egész számszor hurkolhatjuk körbe, és a hurkok számát nem változtathatjuk meg anélkül, hogy a madzagot elvágnánk.

Romhányi Judit és R. Ganes (Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, Dresden) és Penc Karlo (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Budapest) kutatása ötvözi a topológia és a kvantumos mágnesség népszerű területeit – a Nature Communications folyóiratban megjelent cikkükben a Sr2Cu(BO3)2 mágneses szigetelő anyagot vizsgálják, melynek alapállapotában a spinek párokként összefonódott hálózatot alkotnak. A kutatók elsőként ismerték fel egy mágneses alapálapot feletti gerjesztések topológiai tulajdonságait.

Alacsony mágneses térben a gerjesztéseket hasonló topologikus tulajdonságokat öltenek, mint az elektronok a kvantumos Hall-efektusban: a minta szélein topologikusan védett élállapotok jelennek meg, melyek hozzájárulnak a Hall-effektus kialakulásához. Mivel az effektusért felelős gerjesztések nem hordoznak elektromos töltést, de energiával rendelkeznek, a Hall-áram valójában a gerjesztések hőárama.

A mágneses tér egy kritikus értékénél a gerjesztések egy közös pontban érintkezve Dirac-kúpot alkotnak (hasonló található a grafén elektronszerkezetében), egyúttal elveszítik topologikus karakterüket és megszűnik a Hall-féle hőáram is. Visszatekintve előző hasonlatunkra, a Dirac kúp megjelenése annak felel meg, hogy a bögre füle egy pontban szétválik, és a madzagot kihúzhatjuk a résen.

A topologikusan védett élállapotok elméleti jelentőségük mellett megannyi lehetőséget kínálnak spintronikai alkalmazások terén. Egy spintronikai eszközben nem az elektronok, hanem a spinek mozognak, így kevesebb hő fejlődik és gyorsabban működhet az eszköz.  Az áram hőhatásának teljes kiküszöbölésének érdekében azonban mágneses szigetelőkre van szükség, melyekben az elekronok lokalizáltak és a spint mágneses gerjesztések szállítják. Ez az elképzelés, valamint a spinhullámok alkalmazása az információ hordozására, feldolgozására és tárolására, vezetett a spintronika gyorsan fejlődő területének kialakulásához.  

Topologikusan védett élállapotok egy elképzelt hengerre feltekert Sr2Cu(BO3)2 rétegben. Az alsó és felső szélen a piros és kék gerjesztések ellenkező irányba haladnak.
 

Írta: Penc Karlo és Romhányi Judit

hírkategória: 
Címkefelhő: