Un estudio teórico de FLEET publicado esta semana ha encontrado una 'pistola humeante' en la larga búsqueda del monopolo magnético topológico conocido como la curvatura de Berry.
Este descubrimiento es un gran avance en la búsqueda de efectos topológicos en sistemas que no están en equilibrio.
El grupo, dirigido por Dimi Culcer en UNSW, identificó un efecto Hall no convencional impulsado por un campo magnético en el plano en los sistemas de orificios de semiconductores, que se remonta exclusivamente a la curvatura de Berry.
A la inversa, el efecto Hall ordinario y el efecto Hall anómalo requieren un campo magnético / magnetización que sea perpendicular a la superficie.
Los efectos topológicos mejorados permitirían que la electrónica topológica de baja energía sea viable para el funcionamiento a gran escala a temperatura ambiente, y se incluyeron recientemente en la hoja de ruta de IEEE hacia la electrónica del futuro.
RESPUESTA AISLADORA UN MOMENTO AVANZADO
"Aislar las respuestas topológicas en 'conductores regulares' ha sido una tarea históricamente difícil", dice el líder del equipo de investigación A / Prof Dimi Culcer UNSW. "Aunque se cree que estas respuestas topológicas son ubicuas en los sólidos".
Las respuestas cuantificadas, como el efecto Hall cuántico y el efecto Hall de giro cuántico proporcionan una clara huella de la topología, sin embargo, solo se han observado en sistemas unidimensionales 1D y están íntimamente conectados con la existencia de estados de borde.
En conductores 'regulares', es decir, sistemas 2D y 3D, existe mucha literatura teórica que predice contribuciones topológicas, por ejemplo, al efecto Hall anómalo, pero nunca se han observado de manera inequívoca en una medición de transporte.
Hay dos razones principales para esto: i los electrones de giro hacia arriba y hacia abajo generalmente hacen contribuciones opuestas, y estas casi se cancelan; ii lo que queda se ve abrumado por el desorden.
El nuevo papel FLEET soluciona esta deficiencia de larga data al identificar un sistema bidimensional en el que la curvatura Berry, y solo la curvatura Berry, es responsable de la señal de Hall lineal en el campo magnético aplicado en el plano.
"Sorprendentemente, todas las contribuciones a los trastornos se desvanecen: no tenemos conocimiento de ningún otro sistema multidimensional en el que esto sea cierto", dice el autor principal, el estudiante de doctorado de la UNSW James Cullen. "Su medición experimental es accesible para cualquier estado delaboratorio de arte en todo el mundo, por lo que esperamos un gran interés de los experimentadores ".
CURVATURA BERRY, EFECTO HALL ANÓMALO Y MATERIALES TOPOLÓGICOS
El equipo de investigación buscó la traza matemática reveladora llamada 'curvatura de Berry', que se puede entender si pensamos en el concepto de transporte paralelo que aparece de forma rutinaria en geometría y relatividad general.
"Piense en un vector como una flecha que colocamos en algún lugar de la superficie de un objeto sólido", explica Dimi. "Ahora movemos la flecha, asegurándonos de que siempre apunte en el mismo ángulo a la superficie; esto esde hecho, como un ser humano que camina por la superficie de la Tierra. Finalmente, llevamos la flecha al punto de partida después de haber dado la vuelta y encontramos que, en general, apunta en una dirección diferente: ha girado mágicamentea través de algún ángulo. El tamaño de este ángulo está determinado por la curvatura de la superficie. "
En mecánica cuántica, en lugar de vectores tenemos funciones de onda, pero podemos describir la dinámica usando la misma imagen, y la curvatura se llama curvatura de Berry.
El ángulo de rotación es reemplazado por la famosa fase Berry, que lleva el nombre del físico matemático Prof Sir Michael Berry, quien formuló el problema en la década de 1980. Más tarde, basándose en el trabajo del premio Nobel David Thouless, Qian Niu de UT Austin mostróque la curvatura de Berry se comporta como el codiciado monopolo magnético, pero no en el espacio real, sino en el espacio de impulso, que es el espacio en el que piensan la mayoría de los físicos de materia condensada.
La curvatura de Berry genera efectos topológicos en sistemas fuera de equilibrio porque cuando se aplica un campo eléctrico, un electrón se acelera, por lo que su impulso cambia. Cuando esto sucede, su función de onda cambia lentamente, de la misma manera que la `flecha 'gira en transporte paralelo, y como resultado de esta rotación gradual se genera una corriente transversal Hall. Las relaciones de Onsager, que son fundamentales para la física del desequilibrio, dicen que la corriente de Hall no disipa energía. El caso extremo esel efecto Hall anómalo cuántico QAHE, un efecto cuántico clave para la función de los materiales topológicos, en el que las corrientes de borde pueden fluir con una resistencia eléctrica efectivamente cero.
'Quantum' describe la transición de 'paso' en la resistencia transversal Hall, es decir, varía en pasos discretos en lugar de suavemente, mientras que 'anómalo' se refiere a la ocurrencia del fenómeno en ausencia de cualquier campo magnético aplicado.
Los investigadores buscan mejorar el QAHE para proteger el comportamiento topológico a temperaturas más altas, permitiendo la electrónica topológica que sería viable para el funcionamiento a temperatura ambiente.
"La reducción significativa en la resistencia eléctrica permitida por QAHE a temperatura ambiente nos permitiría reducir significativamente el consumo de energía en los dispositivos electrónicos", dice Dimi.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro de excelencia ARC en tecnologías futuras de electrónica de bajo consumo energético . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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