Sciencemag.cz
Doporučujeme
Existence Weylových polokovů byla předpovězena v roce 2010. Mají patřit do třídy topologických materiálů, které za své jedinečné chování vděčí spíše geometrickým/topologickým vlastnostem než konkrétnímu chemickému složení. Weylovy polokovy se vyznačují tím, že jejich elektrony se díky přítomnosti uzlů ve struktuře elektronových pásů chovají, jako by byly měly efektivně nulovou hmotnost, což vede k dalším neobvyklým a zajímavým vlastnostem (nejen samotná elektrická vodivost, ale termoelektrické a optické chování).
Vědci již delší dobu hledají reálné příklady těchto materiálů. Mezi ně patří – nebo lépe řečeno „patřila“ – sloučenina europia, kadmia a arsenu, EuCd2As2, kterou teoretické práce založené na výpočtech teorie funkcionálu hustoty (DFT) i několik experimentálních studií popsaly jako magnetický Weylův polokov. S topologickými vlastnostmi mělo být díky tomu možné manipulovat i pomocí celkem slabého externího magnetického pole.
Ana Akrap (NCCR Marvel a University of Fribourg) a její kolegové nyní ale prozkoumali tuto sloučeninu velmi podrobně a nakonec zjistili, že se jedná o magnetický polovodič – stále velmi zajímavý materiál, který ale mezi Weylovy polokovy nepatří. A to v rozporu s tím, že asi 30 jiných vědeckých prací, teoretických i experimentálních, tvrdilo opak.
V rámci nového výzkumu se podařilo syntetizovat vysoce kvalitní vzorky EuCd2As2, a to jak v kovové formě, tak – vůbec poprvé – i jako krystaly s vlastnostmi izolantu. Možnost vyrobit velmi čisté vzorky umožnila týmu měřit magnetické a elektrické chování materiálu mnohem přesněji než v předchozích studiích. Klíčové bylo, že tým investoval do nákupu velmi čistého europia, které je nejen drahé, ale i obtížné vůbec sehnat.
Vědci pak použili kombinaci několika technik k měření chování materiálu při různých teplotách a pod vnějším magnetickým polem až do 16 T. Závěr byl, že se sloučenina chová jako magnetický polovodič, tedy kombinuje antiferomagnetické chování s elektrickou vodivostí, která je na pomezí mezi vodičem a izolantem, s pásmovou mezerou (šířkou zakázaného pásu) 0,77 eV. A i když je pravda, že aplikace vnějšího magnetického pole má silný vliv na chování sloučeniny, zejména snížení pásové mezery o přibližně 125 meV, materiál se i pod silným magnetickým polem nadále chová jako polovodič, bez známek přechodu na Weylův polokov.
A proč se tolik dřívějších studií spletlo? Na vině má být hlavně problém DFT (density functional theory) se simulací elektronů v orbitalech f (u europia). Nová studie má naopak ukázat sílu a přednosti optické spektroskopie. Jak uvádí Ana Akrap, obecně řada studií prý příliš spoléhá na jedinou analytickou techniku, která ale může mít svá omezení.
D. Santos-Cottin et al, EuCd2As2: A Magnetic Semiconductor, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.186704
Zdroj: National Centre of Competence in Research (NCCR) MARVEL / Phys.org
