Außergewöhnlicher elektronischer Effekt in einem topologischen 2D-Material nachgewiesen

Jülich, 26. September 2022 – Wissenschaftler:innen des Forschungszentrums Jülich haben erstmalig einen exotischen elektronischen Zustand, sogenannte Fermi-Arcs (dt. „Fermi-Bögen“), in einem topologischen 2D-Material nachgewiesen. Das überraschende Auftreten von Fermi-Arcs in dieser Materialklasse eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten von Quantenmaterialien in der Spintronik der nächsten Generation und Quantencomputern. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Wissenschaftliches Ergebnis

Die neu entdeckten Fermi-Arcs stellen besondere - bogenförmige - Abweichungen der so genannten Fermi-Fläche dar. Die Fermi-Fläche beschreibt in der Festkörperphysik die Impulsverteilung von Elektronen und ist normalerweise eine geschlossene Fläche. Ausnahmen wie Fermi-Arcs sind sehr selten und werden oft mit exotischen Eigenschaften wie Supraleitung, negativem Magnetowiderstand und anomalen Quantentransporteffekten in Verbindung gebracht.

Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz

Eine große aktuelle technische Herausforderung besteht darin, physikalische Eigenschaften von Materialien „bedarfsgerecht“ zu kontrollieren. Die Jülicher Forscher:innen liefern nun einen neuen Ansatz, die physikalischen Eigenschaften in neuartigen sogenannten topologischen 2D-Materialien durch ein externes Magnetfeld zu steuern. Das birgt großes Potenzial für den Einsatz von 2D-Materialien, etwa auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz und der weiteren zukünftigen Informationsverarbeitung.

Weitere Details

Bei dem untersuchten Material handelt es sich um ein sogenanntes topologisches 2D-Material. In topologischen Materialien können Wechselwirkungen der Elektronen mit der Kristallstruktur zu exotischen und gleichzeitig robusten Zuständen führen, etwa zu Supraleitung. 2D-Materialien sind Materialien, die nur aus einer Schicht von Atomen oder Molekülen bestehen. Ein bekanntes Beispiel ist Graphen, das aus einlagigem Kohlenstoff besteht und im Vergleich zu herkömmlichem Kohlenstoff exotische physikalische Eigenschaften aufweist.

Das Material in dieser wissenschaftlichen Arbeit besteht aus einer Schicht aus Eisenatomen. Bei diesen 2D-Hybridmagneten werden zusätzliche Phänomene an den Schichtgrenzen beobachtet, wie etwa die sogenannte chirale Anomalie. Sie birgt weitere Anwendungspotenziale für elektronische Bauelemente und eröffnet ein neues Forschungsfeld im Bereich der stark korrelierten topologischen Materialien.

Für ihre Arbeit führten die Forscher Experimente am Elettra-Synchrotron im italienischen Triest durch. Ein internationales Konsortium unter Leitung des Forschungszentrums Jülich betreibt dort das spinauflösende Impulsmikroskop an der NanoESCA-Beamline.

Außergewöhnlicher elektronischer Effekt in einem topologischen 2D-Material nachgewiesen — a) (Gemessene) Spin-aufgelöste Fermi-Arcs in 2 MLs Fe/W(110) auf der linken und rechten Seite der Impulsdarstellung. Die Farben zeigen die in der Ebene liegende Spin-Komponente entlang der x-Richtung, die orthogonal zur Magnetisierung der Probe ist. b) Pfeile zeigen die vollständige theoretische Spin-Textur im Impulsraum, die eine ausgeprägte Nicht-Kollinearität für die Fermi-Bögen (rot) im Vergleich zu den inneren Zuständen (grau) offenbart. c) Verteilung der theoretischen Impulsraum-Berry-Krümmung aller besetzten Bänder in 2 MLs Fe/W(110), um eines der Fermi-Arcs-Paare.

Originalpublikation:

Chen, YJ., Hanke, JP., Hoffmann, M. et al.
Spanning Fermi arcs in a two-dimensional magnet.
Nat Commun 13, 5309 (9 September 2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32948-z