Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойФизикаEuCd2As2: развенчание мифа о магнитных полуметаллах Вейля

EuCd2As2: развенчание мифа о магнитных полуметаллах Вейля

- Advertisement -

Недавние исследования показали, что EuCd2As2, соединение, которое когда-то считалось полуметаллом Вейля, на самом деле является магнитным полупроводником. Этот вывод подчеркивает важность строгих экспериментов и методологического разнообразия в материаловедении.

В десятках исследовательских работ вещество, состоящее из европия, кадмия и мышьяка, охарактеризовано как полуметалл Вейля — уникальная категория экзотических топологических материалов. Но новые эксперименты показывают, что дело совсем в другом.

Полуметаллы Вейля пользуются большим спросом у ученых-материаловедов. Впервые теоретизированные в начале 2010-х годов, они принадлежат к уникальной категории топологических материалов, чьи исключительные характеристики в транспортных, оптических и термоэлектрических аспектах объясняются их отличительными геометрическими и топологическими свойствами, а не их химическим составом. Что отличает полуметаллы Вейля, так это то, что их электроны ведут себя так, как будто они не имеют массы из-за наличия узлов в электронной зонной структуре, что приводит к необычным и интересным свойствам.

Ученые уже довольно давно ищут реальные примеры этих материалов. Среди них есть – или лучше: было – соединение европия, кадмия и мышьяка EuCd.2Как2что вычислительные исследования, основанные на расчетах теории функционала плотности (DFT), а также несколько экспериментальных исследований, описали как магнитный полуметалл Вейля.

«Причина ажиотажа заключалась в том, что, согласно расчетам, топологическими свойствами этого материала можно будет манипулировать с помощью небольшого магнитного поля», — говорит Ана Акрап, член Национального центра компетенции в области исследований NCCR MARVEL и профессор Фрибурского университета. «Идея в том, что у вас есть две группы. [in the material] и ничего особенного не происходит, когда они разнесены друг от друга, но когда вы прикладываете магнитное поле, они притягиваются друг к другу, и это создает полуметалл Вейля. Основная идея заключается в использовании магнетизма для управления топологией, что будет иметь большое значение».

Новые открытия бросают вызов прежним убеждениям

Но в новом исследовании, только что опубликованном в Письма о физических отзывах, Международная исследовательская группа под руководством Акрапа изучила этот материал в беспрецедентных подробностях и в итоге выяснила, что это магнитный полупроводник — все еще очень интересный материал, но не входящий в число заветных полуметаллов. И тем не менее, «в литературе есть около 30 статей, как теоретических, так и экспериментальных, в которых говорится, что это полуметалл Вейля, и ключевой посыл заключается в том, что нам всем следует быть немного более осторожными», — говорит Акрап.

Для проведения экспериментов команде удалось синтезировать высококачественные образцы EuCd2As2 как в металлической форме, так и – впервые – в виде изолирующих кристаллов. Возможность изготовления очень чистых образцов позволила измерить магнитное и электрическое поведение материала гораздо точнее, чем в предыдущих исследованиях. «Рецепт, использованный нашим производителем кристаллов для дистилляции образца, действительно был очень своеобразным», — объясняет Акрап, — «по сути, сначала выполнялась кристаллизация, а затем использовался этот крошечный кристалл в качестве затравки для следующего синтеза. Но главное было то, что мы начали с чистых материалов, в частности с покупки исключительно чистого европия, который нелегко найти».

Затем команда применила сочетание методов, включая электронный транспорт, оптическую спектроскопию и фотоэмиссионную спектроскопию в возбужденном состоянии, чтобы измерить поведение материала при различных температурах и под внешним магнитным полем до 16 Тл. Вывод заключался в том, что соединение ведет себя как магнитный полупроводник, сочетающий в себе антиферромагнитное поведение и электропроводность, промежуточную между проводником и изолятором, с шириной запрещенной зоны 0,77 эВ. И хотя это правда, что приложение внешнего магнитного поля оказывает сильное влияние на его поведение, в частности, уменьшая ширину запрещенной зоны примерно на 125 мэВ, материал продолжает вести себя как полупроводник даже в сильном магнитном поле, без каких-либо признаков перехода полуметаллу Вейля.

Как могло так много исследований получить EuCd?2Как2 Так неправильно? Акрап отмечает, что одна из основных причин заключается в том, что у европия есть электроны на f-орбиталях, и эти электроны, как известно, трудно моделировать методом DFT. «Это хорошо известная проблема, и в консорциуме MARVEL есть люди, которые знают, как с ней справиться, так что, надеюсь, мы добьемся прогресса».

Но есть и положительная сторона, говорит Акрап: «Это исследование показывает мощь оптической спектроскопии, метода, который действительно может показать, что представляет собой материал. Раньше оптика играла более важную роль, и ей следует вернуть себе свое место. Сейчас мы во многом полагаемся на фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), которая является замечательным методом, поскольку она напрямую показывает зонную структуру, но имеет недостатки. Он показывает только оккупированные штаты, а не свободные. В оптике вы их видите. В целом, чрезмерная зависимость от конкретных методов — это проблема, которую следует решить».

Ссылка: «ЕСD2Как2: Магнитный полупроводник» Д. Сантос-Коттин, И. Мохельски, Дж. Вызула, Ф. Ле Марделе, И. Капон, С. Насралла, Н. Баришич, И. Живкович, Дж. Р. Со, Ф. Го, К. Риго, М. Пуппин, Дж. Х. Дил, Б. Гудак, З. Рукель, М. Новак, А. Б. Кузьменко, CC Homes, Томаш Дитль, М. Орлита и Ана Акрап, 3 ноября 2023 г., Письма о физических отзывах.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.186704.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме