Istraživači koji su godinama radili na razumevanju rasporeda elektrona i magnetizma u određenim polumetalima bili su frustrirani činjenicom da materijali pokazuju magnetna svojstva samo ako su ohlađeni na samo nekoliko stepeni iznad apsolutne nule.
Nova studija MIT-a koju vodi Mingda Li, vanredni profesor nuklearnih nauka i inženjeringa, a koautor je Nathan Drucker, diplomirani istraživač u MIT-ovoj grupi za kvantna mjerenja i dr. student primenjene fizike na Univerzitetu Harvard, zajedno sa Thanh Nguien i Phum Siriviboon, diplomiranim studentima MIT-a koji rade u Grupi za kvantna merenja, osporavaju tu konvencionalnu mudrost.
Istraživanje otvorenog pristupa, objavljeno u Časopisu Komunikacije u prirodi, po prvi put pokazuje dokaze da topologija može stabilizovati magnetno uređenje, čak i znatno iznad temperature magnetnog prelaza – tačke u kojoj se magnetizam normalno raspada.
„Analogija koju volim da koristim da opišem zašto ovo funkcioniše je da zamislim reku ispunjenu balvanima, koji predstavljaju magnetne momente u materijalu“, kaže Draker, koji je bio prvi autor rada. „Da bi magnetizam funkcionisao, potrebni su vam svi ti trupci u istom pravcu, ili da imaju određeni obrazac prema njima. Ali na visokim temperaturama, svi magnetni momenti su orijentisani u različitim pravcima, kao što bi trupci bili u reci, a magnetizam se raspada.
„Ali ono što je važno u ovoj studiji je da se zapravo voda menja“, nastavlja on. „Ono što smo pokazali je da, ako promenite svojstva same vode, a ne trupaca, možete promeniti način na koji trupci međusobno deluju, što rezultira magnetizmom.“
U suštini, kaže Li, rad otkriva kako topološke strukture poznate kao Vejlovi čvorovi pronađeni u CeAlGe – egzotičnom polumetalu sastavljenom od cerijuma, aluminijuma i germanijuma – mogu značajno povećati radnu temperaturu za magnetne uređaje, otvarajući vrata širokom opsegu aplikacija.
Iako se već koriste za pravljenje senzora, žiroskopa i još mnogo toga, topološki materijali su korišćeni za širok spektar dodatnih primena, od mikroelektronike do termoelektričnih i katalitičkih uređaja. Demonstriranjem metode za održavanje magnetizma na znatno višim temperaturama, studija otvara vrata za još više mogućnosti, kaže Ngujen.
„Postoji toliko mogućnosti koje su ljudi pokazali – u ovom materijalu i drugim topološkim materijalima“, kaže on. „Ovo pokazuje opšti način koji može značajno poboljšati radnu temperaturu za ove materijale“, dodaje Siriviboon.
Taj „prilično iznenađujući i kontraintuitivan“ rezultat će imati značajan uticaj na budući rad na topološkim materijalima, dodaje Linda Ie, docentica fizike na Caltech-ovom odeljenju za fiziku, matematiku i astronomiju.
„Otkriće Druckera i saradnika je intrigantno i važno“, kaže Ie, koji nije bio uključen u istraživanje. „Njihov rad sugeriše da elektronski topološki čvorovi ne samo da igraju ulogu u stabilizaciji statičkih magnetnih redova, već i šire mogu biti u igri u stvaranju magnetnih fluktuacija. Prirodna implikacija iz ovoga je da se uticaji topoloških Veil stanja na materijale mogu proširiti daleko iznad onoga što se ranije verovalo“.
Profesor fizike sa Univerziteta Prinston Andrei Bernevig se slaže, koji je otkriće nazvao „zbunjujućim i izvanrednim“.
„Poznato je da su Vejlovi čvorovi topološki zaštićeni, ali uticaj ove zaštite na termodinamička svojstva faze nije dobro shvaćen“, kaže Andrej Bernevig, koji nije bio uključen u rad. „Rad MIT grupe pokazuje da poredak kratkog dometa, iznad temperature naručivanja, upravlja talasnim vektorom gnežđenja između Vejlovih fermiona koji se pojavljuju u ovom sistemu… što verovatno sugeriše da zaštita Vejlovih čvorova nekako utiče na magnetne fluktuacije! “
Iako iznenađujući rezultati izazivaju dugotrajno razumevanje magnetizma i topologije, oni su rezultat, kaže Li, pažljivog eksperimentisanja i spremnosti tima da istražuje oblasti koje bi inače mogle proći previđene.
„Pretpostavka je bila da se ne može naći ništa novo iznad temperature magnetnog prelaza“, objašnjava Li. „Koristili smo pet različitih eksperimentalnih pristupa i uspeli smo da kreiramo ovu sveobuhvatnu priču na dosledan način i da sastavimo ovu slagalicu.
Da bi demonstrirao prisustvo magnetizma na višoj temperaturi, tim je počeo kombinovanjem cerijuma, aluminijuma i germanijuma u peći da bi se formirali kristali materijala veličine milimetra.
Ti uzorci su zatim podvrgnuti nizu testova, uključujući testove toplotne i električne provodljivosti, od kojih je svaki otkrio trag o neobičnom magnetnom ponašanju materijala.
„Ali preduzeli smo i neke egzotičnije metode da testiramo ovaj materijal“, kaže Draker. „Pogodili smo materijal snopom rendgenskih zraka koji je kalibrisan na isti energetski nivo kao i cerijum u materijalu, a zatim izmerili kako se taj snop raspršio.
„Ti testovi su morali da se urade u veoma velikom objektu, u nacionalnoj laboratoriji Odeljenja za energetiku“, nastavlja on. „Na kraju, morali smo da uradimo slične eksperimente u tri različite nacionalne laboratorije da bismo pokazali da tamo postoji taj skriveni poredak i tako smo pronašli najjače dokaze.
Deo izazova, kaže Ngujen, je to što je sprovođenje takvih eksperimenata na topološkim materijalima obično veoma teško izvodljivo i obično pruža samo indirektne dokaze.
„U ovom slučaju, ono što smo uradili je da smo sproveli nekoliko eksperimenata koristeći različite sonde, a sastavljanjem ih sve zajedno, to nam daje veoma sveobuhvatnu priču“, kaže on. „U ovom slučaju to je pet ili šest različitih tragova i velika lista instrumenata i merenja koji su igrali u ovoj studiji.“
U budućnosti, kaže Li, tim planira da istraži da li se odnos između topologije i magnetizma može demonstrirati u drugim materijalima.
„Verujemo da je ovaj princip opšti“, kaže on. „Tako da mislimo da bi ovo moglo biti prisutno u mnogim drugim materijalima, što je uzbudljivo jer proširuje naše razumevanje šta topologija može da uradi. Znamo da može da igra ulogu u povećanju provodljivosti, a sada smo pokazali da može da igra ulogu u magnetizam takođe“.
Dodatni budući rad, kaže Li, takođe će se baviti mogućim primenama za topološke materijale, uključujući njihovu upotrebu u termoelektričnim uređajima koji pretvaraju toplotu u električnu energiju. Iako su takvi uređaji već korišćeni za napajanje malih uređaja, poput satova, oni još uvek nisu dovoljno efikasni da obezbede napajanje za mobilne telefone ili druge, veće uređaje.
„Proučavali smo mnoge dobre termoelektrične materijale i svi su topološki materijali“, kaže Li. „Ako mogu da pokažu ove performanse sa magnetizmom… oni će otključati veoma dobra termoelektrična svojstva. Na primer, ovo će im pomoći da rade na višoj temperaturi. Trenutno, mnogi rade samo na veoma niskim temperaturama da bi prikupili otpadnu toplotu. Veoma prirodna posledica ovoga bi bila njihova sposobnost da rade na višim temperaturama.“
Na kraju, Draker kaže, istraživanje ukazuje na činjenicu da, iako se topološki polumetali proučavaju već nekoliko godina, relativno malo se razume o njihovim svojstvima.
„Mislim da naš rad naglašava činjenicu da, kada pogledate ove različite skale i koristite različite eksperimente za proučavanje nekih od ovih materijala, u stvari postoje neke od ovih zaista važnih termoelektričnih i električnih i magnetnih svojstava koja počinju da se pojavljuju“, Drucker kaže.
„Dakle, mislim da to takođe daje nagoveštaj ne samo o tome kako možemo da koristimo ove stvari za različite primene, već i prema drugim fundamentalnim studijama koje će pratiti kako možemo bolje razumeti ove efekte toplotnih fluktuacija.“
