Et nyt spin på kagome-gitre

Som så mange mål for videnskabelig undersøgelse, klassen af ​​materiale, der omtales som kagome-magneten, har vist sig at være en kilde til både frustration og forbløffelse. Yderligere afsløring af kagomemagnetens kvanteegenskaber ses som en af ​​de primære udfordringer i fundamental fysik - for både teoretikere og eksperimentelister.

En usædvanlig underliggende geometri af atomarrangementet er central for værdien af ​​disse materialer. Kagome-gitre beskrives som krydsende væv af "hjørnedelte trekanter" og er værdsat for den unikke opførsel af de krydsende elektroner, grobund for studiet af kvanteelektroniske tilstande beskrevet som frustrerede, korreleret og topologisk.

En nylig undersøgelse foretaget af en international gruppe af forskere, offentliggjort i tidsskriftet Natur , fandt kagome ferromagnet Fe3Sn2 udviser en elektronisk tilstand, der kobler usædvanligt stærkt til et påført magnetfelt, der kan roteres til at pege i enhver retning af et 3-dimensionelt rum, afslører i kvanteskala et "gigantisk" magnetiseringsdrevet elektronisk energiskift, der finder sted i materialet.

Det energiskift kaster nyt lys over tilstedeværelsen af ​​spin-orbit-kobling og topologiske spin-teksturer i kagome-gitre, hvor magnetiske og elektroniske strukturer er viklet ind og producerer usædvanlig - ofte hidtil ukendt - spin-orbit aktivitet, sagde Boston College professor i fysik Ziqiang Wang, en medforfatter til rapporten, med titlen "Kæmpe og anisotropisk spin-orbit tunability i en stærkt korreleret kagome magnet."

"Vi fandt ud af to ting. Den første er, at den elektroniske tilstand af Fe3Sn2 er nematisk, en tilstand, der spontant bryder rotationssymmetrien. Elektronerne opfører sig som en flydende krystal inde i denne magnet, formodentlig på grund af den stærke elektron-elektron interaktion, " sagde Wang. "Den anden ting, vi fandt, er, at du kan manipulere og lave store ændringer i elektronenergistrukturen ved at justere den magnetiske struktur ved at anvende et magnetfelt."

Wang, en teoretisk fysiker, og kandidatstuderende Kun Jiang, Ph.D., som har studeret nye kvanteelektroniske tilstande som følge af samspillet mellem elektron-elektron-interaktion, geometrisk frustration, og topologiske båndstrukturer, sluttede sig til eksperimenterende kolleger, som først bemærkede den usædvanlige elektroniske aktivitet, da de studerede materialet ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi.

Holdet - som omfattede forskere fra BC, Princeton University, det kinesiske videnskabsakademi, Renmin Universitet, og Peking University - brugte STM og vektor-magnetiske feltværktøjer til at identificere de spin-kredsløbskoblede elektroniske egenskaber af kagome ferromagneten og udforskede de eksotiske fænomener i den, mens der udføres modellering og beregninger for at give teoretisk fortolkning og forståelse af de observerede fænomener.

"Vores kolleger fandt ud af, at ved at ændre retningen af ​​magnetfeltet, de så ændringer i de elektroniske tilstande, der er unormalt store, " sagde Wang. "Forskydningerne af båndene - der er båndhuller, forbudte områder i kvantemekanikken, hvor elektroner ikke kan opholde sig - disse områder kan tunes enormt af det påførte magnetfelt."

"Båndskiftet" er en ændring i elektronisk båndstruktur, sagde Wang. Det udvider og indsnævrer båndgabet afhængigt af magnetfeltretningerne. Kagome ferromagneten viste et skift, der var cirka 150 gange større end almindelige materialer.

Undersøgelse af interferensmønstrene for elektronens kvantemekaniske bølgefunktioner afslørede konsistent spontan nematicitet - en indikation af vigtig elektronkorrelation, der forårsager rotationssymmetri-brud af den elektroniske tilstand i materialet.

Disse spin-drevne gigantiske elektroniske svar indikerede muligheden for en underliggende korreleret magnetisk topologisk fase, rapporterede forskerne. Kagome-magnetens tunbarhed afslørede et stærkt samspil mellem et eksternt påført magnetfelt og nematicitet, at give nye måder at kontrollere spin-kredsløbsegenskaber på og udforske nye fænomener i topologiske eller kvantematerialer, skrev holdet.

De elektriske egenskabers gigantiske magnetfeltafstemning kan en dag føre til potentielle anvendelser i elektroniske enheder såsom hukommelse og informationslagring og sensing-teknologier, sagde Wang.

"Det spændende i disse resultater er potentialet i at realisere noget nyttigt, " sagde Wang. "Dette kommer fra meget fundamental fysik, men det kan en dag oprette forbindelse til applikationer. Vi forstår ikke alt, men vi ved nu, at dette er et materiale, der indeholder alle disse vigtige ingredienser."