Axionic tunneling from a topological Kondo insulator

Al decennia lang zijn natuurkundigen gefascineerd door een vreemd idee: dat de lege ruimte tussen sterren, bekend als het vacuüm, niet werkelijk leeg zou kunnen zijn, maar gevuld met onzichtbare velden die bepalen hoe deeltjes zich gedragen. In de wereld van vaste stoffen hebben wetenschappers ontdekt dat bepaalde kristallen deze exotische eigenschappen van het vacuüm kunnen nabootsen, waardoor een nieuwe grens ontstaat waar de regels van de kwantummechanica en de relativiteitstheorie lijken te versmelten. Onder deze materialen valt een klasse bekend als topologische isolatoren op. Dit zijn stoffen die in hun binnenste fungeren als elektrische isolatoren, maar elektriciteit moeiteloos langs hun oppervlak geleiden. Een bijzonder intrigerend lid van deze familie is samariumhexaboride, een materiaal dat onderzoekers al lang in verwarring brengt omdat het oppervlak elektriciteit geleidt op een manier die suggereert dat er een diepe, verborgen verbinding bestaat tussen elektrische en magnetische krachten.

Het centrale mysterie betreft een theoretisch concept genaamd het axion. In de wereld van de hogere energiefysica zijn axionen hypothetische deeltjes die kunnen verklaren waarom het universum zich zo gedraagt als het doet. In vaste materialen voorspelt een "axion-achtig" effect dat wanneer je een elektrisch veld aan het oppervlak van een topologische isolator aanlegt, dit een magnetische respons genereert, en vice versa. Dit is een diepgaande link tussen elektriciteit en magnetisme die verder gaat dan het standaardgedrag van magneten. Het detecteren van dit effect is echter berucht moeilijk geweest omdat het subtiel is en gemakkelijk wordt gemaskeerd door andere, meer voorkomende magnetische signalen. De vraag bleef: zou dit ongrijpbare axion-achtige gedrag geobserveerd kunnen worden in een echt, tastbaar experiment?

Een team van onderzoekers heeft nu overtuigend bewijs geleverd voor dit fenomeen met behulp van een techniek genaamd scanning tunneling microscopie. In plaats van het materiaal van een afstand te bekijken, gebruikten ze een ongelooflijk scherpe naald, met een uiteinde van een minuscuul draadje gemaakt van samariumhexaboride, om het oppervlak van een magnetisch kristal genaamd ijzertelluride te verkennen. Het doel was om te zien hoe de punt reageerde wanneer ze een kleine spanning op de tip aanlegden. In een standaard magnetisch experiment zou men verwachten dat de magnetische eigenschappen van een tip constant blijven, ongeacht of de spanning positief of negatief is. Echter, de onderzoekers observeerden iets veel ongewoons: wanneer ze de richting van de spanning omdraaiden, klapte de magnetische signatuur van de tip om. Een millivolt aan positieve spanning creëerde een specifieke magnetische oriëntatie, terwijl dezelfde hoeveelheid negatieve spanning de exacte tegenovergestelde oriëntatie creëerde.

Deze door spanning geïnduceerde magnetisme is de belangrijkste bevinding. De onderzoekers maten dat een minuscule spanning, ongeveer 30 millivolt, genoeg was om een meetbaar magnetisch moment aan de punt van de draad te genereren, gelijk aan ongeveer 0,1 keer de magnetische sterkte van een enkel elektron. Cruciaal was dat dit magnetische effect niet statisch was; het werd direct gecontroleerd door het elektrische veld. Het team sloot de mogelijkheid uit dat dit simpelweg het resultaat was van de tip die magnetische atomen van het oppervlak oppikte, of een standaard verandering in de elektronische structuur van het materiaal. Ze bevestigden dit door hun resultaten te vergelijken met een conventionele magnetische tip gemaakt van chroom, die dit omklappende gedrag niet vertoonde. Het feit dat het effect verdween wanneer de temperatuur steeg boven ongeveer 10 Kelvin, suggereerde verder dat het een unieke eigenschap van de samariumhexaboride-tip zelf was, en niet een kenmerk van het magnetische oppervlak dat het verkende.

De verklaring voor dit gedrag ligt in de unieke topologie van samariumhexaboride. De onderzoekers stellen voor dat het elektrische veld van de spanning een specif kind van interactie creëert aan het oppervlak van de tip, één die wordt voorspeld door de theorie van axionen. In dit scenario induceert het elektrische veld een magnetische polarisatie die ongelijk is onder tijdsomkering, wat betekent dat het anders reageert wanneer de richting van de tijd of de richting van het veld wordt omgedraaid. Dit is verschillend van de gebruikelijke magnetische eigenschappen van materialen. De studie suggereert dat het oppervlak van de samariumhexaboride fungeert als een grens waar de regels van het materiaal veranderen, waardoor deze conversie van elektriciteit naar magnetisme kan plaatsvinden. Het effect is zo gevoelig dat het aan- en uitgezet kan worden met de klik van een spanningsschakelaar, een niveau van controle dat voorheen als moeilijk te bereiken werd beschouwd in dergelijke systemen.

Hoewel de onderzoekers voorzichtig zijn om te vermelden dat dit een interpretatie van hun gegevens is en geen definitief bewijs voor het bestaan van axiondeeltjes, wijst het bewijs sterk in de richting van een axion-achtige magneto-elektrische respons. Het werk demonstreert dat het oppervlak van een topologische isolator inderdaad een magnetisch veld kan genereren als reactie op een elektrisch veld, een fenomeen dat weliswaar was voorspeld, maar nooit duidelijk geobserveerd in deze specifieke context. Deze ontdekking opent een nieuw venster naar het begrip van hoe kwantummaterialen de fundamentele krachten van het universum kunnen nabootsen. Het suggereert dat wetenschappers, door simpelweg de spanning in een minuscule elektronische junctie aan te passen, spin en magnetische eigenschappen kunnen manipuleren op manieren die uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe soorten elektronische apparaten. Het vermogen om magnetisme te controleren met zulke kleine elektrische signalen biedt een nieuwe weg voor het verkennen van de diepe verbindingen tussen elektriciteit, magnetisme en de topologie van materie.