Et twist, der forbinder magnetisme og elektronisk båndstopologi

Materialer, der kombinerer topologiske elektroniske egenskaber og kvantemagnetisme, har stor interesse for den kvantefysiske fysik, de udviser, og for mulige anvendelser i elektroniske komponenter. ETH-fysikere har nu etableret den mikroskopiske mekanisme, der forbinder magnetisme og elektronisk båndtopologi for et sådant materiale.

Dirac matter er en spændende klasse af materialer med interessante egenskaber:Elektroner i disse materialer opfører sig som om de ikke har nogen masse. Det mest fremtrædende Dirac -materiale er grafen, men andre er blevet opdaget i løbet af de sidste 15 år. Hver fungerer som en rig legeplads til at udforske eksotisk elektronisk adfærd, hvoraf nogle kunne muliggøre nye komponenter til elektronik.

Imidlertid, der er kun meget få eksempler, hvor topologien af ​​de elektroniske bånd på en veldefineret måde er forbundet med materialernes magnetiske egenskaber. Et materiale, hvor et sådant samspil mellem topologiske elektroniske tilstande og magnetisme er blevet observeret, er CaMnBi ₂ , men mekanismen, der forbinder de to, forblev uklar. Skriver ind Fysisk gennemgangsbreve , postdoc Kør Yang og ph.d. studerende Matteo Corasaniti fra gruppen optisk spektroskopi af prof. Leonardo Degiorgi på Laboratorium for Solid State Physics i ETH Zürich, arbejder med kolleger på Brookhaven National Laboratory (US) og det kinesiske videnskabsakademi i Beijing, rapporter nu en omfattende undersøgelse, der giver klare beviser for, at et lille skub mod de magnetiske øjeblikke, kendt som spin canting, fremkalder væsentlige ændringer i den elektroniske båndstruktur.

CaMnBi ₂ og den beslægtede forbindelse SrMnBi ₂ vise kvantemagnetisme - manganionerne er antiferromagnetisk ordnet ved stuetemperatur og derunder - og på samme tid, de er vært for Dirac -elektroner. At der er mistanke om, at der er et samspil mellem de to ejendomme, ved ~ 50 K, der forekommer en uventet 'bump' i ledningsegenskaberne i disse materialer. Men den præcise karakter af denne anomali var dårligt forstået indtil nu.

I tidligere arbejde med at studere optiske egenskaber, Corasaniti, Yang og kolleger havde allerede etableret en forbindelse til materialets elektroniske egenskaber. De udnyttede det faktum, at den bumplignende anomali i transportegenskaberne kan forskydes i temperatur ved at udskifte nogle af calciumatomerne med natrium. For at bestemme den mikroskopiske oprindelse af den observerede adfærd, de studerede prøver med forskellige natriumdopinger ved hjælp af momentmagnetometri. I denne teknik, drejningsmomentet på en magnetisk prøve måles, når det udsættes for et passende stærkt felt, analog med en kompassnål, der flugter med jordens magnetfelt. Denne tilgang pegede holdet på anomaliens oprindelse.

En fast forbindelse mellem magnetiske og elektroniske egenskaber

I deres eksperimenter med magnetisk drejningsmoment, forskerne fandt ud af, at ved temperaturer, hvor der ikke observeres nogen anomali i de elektroniske transportmålinger, den magnetiske adfærd ligner en antiferromagnet. Imidlertid, ved temperaturer, hvor anomalien manifesterer sig, en ferromagnetisk komponent dukkede op, som kan forklares ved en projektion af magnetiske momenter på planet vinkelret på den lette spin c-akse i den oprindelige antiferromagnetiske orden (se figur). Dette fænomen er kendt som spin canting, fremkaldt af en såkaldt superudvekslingsmekanisme.

Disse to sæt eksperimenter-de optiske og drejningsmomentmålinger-blev understøttet af dedikerede beregninger af første principper. I særdeleshed, i det tilfælde, hvor spin canting var inkluderet i beregningerne, en ejendommelig hybridisering mellem mangan- og vismutatomer viste sig at formidle mellemlagets magnetiske kobling og styre de elektroniske egenskaber i materialet. Taget sammen, undersøgelsen etablerer en direkte forbindelse mellem de magnetiske egenskaber og ændringer i den elektroniske båndstruktur, afspejlet i bumpanomalien ved transportegenskaberne.

Disse fund åbner døren for at udforske CaMnBis elektroniske egenskaber ₂ og beslægtede forbindelser, samt de muligheder, der opstår ved forbindelsen mellem magnetiske egenskaber og topologiske tilstande i disse spændende former for stof.