En kvantemagnet med et topologisk twist

De tager deres navn fra et indviklet japansk kurvmønster, kagome-magneter menes at have elektroniske egenskaber, der kan være værdifulde for fremtidige kvanteenheder og applikationer. Teorier forudsiger, at nogle elektroner i disse materialer har eksotiske, såkaldt topologisk adfærd og andre opfører sig lidt som grafen, et andet materiale værdsat for sit potentiale for nye typer elektronik.

Nu, et internationalt hold ledet af forskere ved Princeton University har observeret, at nogle af elektronerne i disse magneter opfører sig kollektivt, som en næsten uendeligt massiv elektron, der er mærkeligt magnetisk, snarere end som individuelle partikler. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik denne uge.

Holdet viste også, at placering af kagome-magneten i et højt magnetfelt får magnetismens retning til at vende. Denne "negative magnetisme" er beslægtet med at have et kompas, der peger mod syd i stedet for nord, eller en køleskabsmagnet, der pludselig nægter at holde fast.

"Vi har ledt efter supermassive 'fladbånd' elektroner, der stadig kan lede elektricitet i lang tid, og endelig har vi fundet dem, " sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University, der ledede holdet. "I dette system, vi fandt også, at på grund af en intern kvantefaseeffekt, nogle elektroner stiller op modsat magnetfeltet, producerer negativ magnetisme."

Holdet udforskede, hvordan atomer arrangeret i et kagome-mønster i en krystal giver anledning til mærkelige elektroniske egenskaber, der kan have fordele i den virkelige verden, såsom superledning, som tillader elektricitet at flyde uden tab som varme, eller magnetisme, der kan styres på kvanteniveau til brug i fremtidens elektronik.

Forskerne brugte state-of-the-art scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi (STM/S) til at se på opførselen af ​​elektroner i en kagome-mønstret krystal lavet af kobolt og tin, klemt mellem to lag af svovlatomer, som er yderligere klemt mellem to lag tin.

I kagome-laget, koboltatomerne danner trekanter omkring en sekskant med et tinatom i midten. Denne geometri tvinger elektronerne ind i nogle ubehagelige positioner - hvilket fører til, at denne type materiale bliver kaldt en "frustreret magnet".

For at udforske elektronadfærden i denne struktur, forskerne skar de øverste lag for at afsløre kagomelaget nedenunder.

De brugte derefter STM/S-teknikken til at detektere hver elektrons energiprofil, eller båndstruktur. Båndstrukturen beskriver rækken af ​​energier en elektron kan have i en krystal, og forklarer, for eksempel, hvorfor nogle materialer leder strøm og andre er isolatorer. Forskerne fandt ud af, at nogle af elektronerne i kagomelaget har en båndstruktur, der snarere end at være buet som i de fleste materialer, er flad.

En flad båndstruktur indikerer, at elektronerne har en effektiv masse, der er så stor, at den næsten er uendelig. I en sådan tilstand, partiklerne virker kollektivt frem for som individuelle partikler.

Teorier har længe forudsagt, at kagome-mønsteret ville skabe en flad båndstruktur, men denne undersøgelse er den første eksperimentelle påvisning af en fladbåndselektron i et sådant system.

En af de generelle forudsigelser, der følger, er, at et materiale med et fladt bånd kan udvise negativ magnetisme.

Ja, i den aktuelle undersøgelse, da forskerne anvendte et stærkt magnetfelt, nogle af kagomemagnetens elektroner pegede i den modsatte retning.

"Uanset om feltet blev anvendt op eller ned, elektronernes energi vendte i samme retning, det var det første, der var mærkeligt i forhold til eksperimenterne, " sagde Songtian Sonia Zhang, en kandidatstuderende i fysik og en af ​​tre medførsteforfattere på papiret.

"Det undrede os i omkring tre måneder, " sagde Jia-Xin Yin, en postdoktoral forskningsmedarbejder og en anden medførsteforfatter på undersøgelsen. "Vi ledte efter årsagen, og med vores samarbejdspartnere indså vi, at dette var det første eksperimentelle bevis på, at denne flade båndtop i kagome-gitteret har et negativt magnetisk moment."

Forskerne fandt ud af, at den negative magnetisme opstår på grund af forholdet mellem kagome flade bånd, et kvantefænomen kaldet spin-orbit kobling, magnetisme og en kvantefaktor kaldet Berry curvature field. Spin-orbit-kobling refererer til en situation, hvor en elektrons spin, som i sig selv er en kvanteegenskab for elektroner, bliver knyttet til elektronens orbitale rotation. Kombinationen af ​​spin-orbital kobling og materialets magnetiske natur får alle elektronerne til at opføre sig i låsetrin, som en kæmpe enkelt partikel.

En anden spændende adfærd, der opstår fra de tæt koblede spin-orbit-interaktioner, er fremkomsten af ​​topologisk adfærd. Emnet for 2016 Nobelprisen i fysik, topologiske materialer kan have elektroner, der flyder uden modstand på deres overflader og er et aktivt forskningsområde. Kobolt-tin-svovl-materialet er et eksempel på et topologisk system.

Todimensionelle mønstrede gitter kan have andre ønskelige typer elektronkonduktans. For eksempel, grafen er et mønster af kulstofatomer, der har skabt stor interesse for dets elektroniske applikationer i løbet af de sidste to årtier. Kagomegitterets båndstruktur giver anledning til elektroner, der opfører sig på samme måde som dem i grafen.

Studiet, "Negativ fladbåndsmagnetisme i en spin-orbit koblet korreleret kagome magnet, " af Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilya Belopolski, Nana Shumiya, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Shuang Jia, Hechang Lei og M. Zahid Hasan, blev offentliggjort online 18. feb. 2019 i bladet Naturfysik .