Indvævet:Hvordan ladning og magnetisme flettes sammen i kagome-materiale

Fysikere har opdaget et materiale, hvor atomer er arrangeret på en måde, der så frustrerer elektronernes bevægelse, at de engagerer sig i en kollektiv dans, hvor deres elektroniske og magnetiske natur ser ud til at både konkurrere og samarbejde på uventede måder.

Under ledelse af Rice University-fysikere blev forskningen offentliggjort online i dag i Nature . I eksperimenter ved Rice, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), University of Washington (UW), Princeton University og University of California, Berkeley, studerede forskere rent jern-germanium krystaller og opdagede stående bølger af flydende elektroner dukkede op spontant i krystallerne, når de blev afkølet til en kritisk lav temperatur. Spændende nok opstod ladningstæthedsbølgerne, mens materialet var i en magnetisk tilstand, hvortil det var overgået ved en højere temperatur.

"En ladningstæthedsbølge forekommer typisk i materialer, der ikke har nogen magnetisme," sagde studiets medkorresponderende forfatter Pengcheng Dai fra Rice. "Materialer, der både har en ladningstæthedsbølge og magnetisme, er faktisk sjældne. Endnu mere sjældne er dem, hvor ladningstæthedsbølgen og magnetismen 'taler' med hinanden, som de ser ud til at gøre i dette tilfælde."

"Normalt forekommer ladningstæthedsbølgen samtidig med magnetisme eller ved en højere temperatur end den magnetiske overgang," sagde han. "Dette tilfælde ser ud til at være specielt, fordi ladningstæthedsbølgen faktisk forekommer ved en temperatur, der er meget lavere end magnetisme. Vi kender ikke til noget andet eksempel, hvor dette rent faktisk sker i et materiale som dette, der har et kagomegitter. Det tyder på, at det kunne være relateret til magnetismen."

Jern-germanium-krystallerne, der blev brugt i eksperimenterne, blev dyrket i Dais laboratorium og har et tydeligt arrangement af atomer i deres krystalgitter, der minder om de mønstre, der findes i japanske kagome-kurve. Ligesidede trekanter i gitteret tvinger elektroner til at interagere, og fordi de afskyr at være i nærheden af ​​hinanden, frustrerer denne forcering deres bevægelser. Forceringen stiger, når temperaturen falder, hvilket giver anledning til kollektiv adfærd som ladningstæthedsbølgen.

Undersøgelse med-korresponderende forfatter Ming Yi, også fra Rice, siger, at "ladningstæthedsbølgen er som bølger, der dannes på overfladen af ​​havet. Den dannes kun, når forholdene er rigtige. I dette tilfælde observerede vi det, når et unikt træk i form af en sadel optrådte i de kvantetilstande, som elektronerne får lov at leve i. Forbindelsen med magnetisk orden er, at denne ladningstæthedsbølge kun opstår, når magnetisme får sadlen til at dukke op. Det er vores hypotese."

Eksperimenterne giver et fristende glimt af de egenskaber, fysikere vil finde i kvantematerialer, der både har topologiske egenskaber og dem, der opstår fra stærkt korrelerede elektroninteraktioner.

I topologiske materialer producerer mønstre af kvantesammenfiltring "beskyttede" tilstande, der ikke kan slettes. Topologiske tilstandes uforanderlige natur er af stigende interesse for kvanteberegning og spintronik. De tidligste topologiske materialer var ikke-ledende isolatorer, hvis beskyttede tilstande tillod dem at lede elektricitet på begrænsede måder, f.eks. på 2D ydre overflader eller langs 1D kanter.

"Tidligere var topologiske materialer typer, der var meget svagt korrelerede," sagde Yi, en assisterende professor i fysik og astronomi ved Rice. "Folk brugte disse materialer til virkelig at forstå topologien af ​​kvantematerialer, men udfordringen nu er at finde materialer, hvor vi kan drage fordel af både topologiske tilstande og stærke elektronkorrelationer."

I stærkt korrelerede materialer giver vekselvirkningen mellem milliarder på milliarder af elektroner anledning til kollektiv adfærd som ukonventionel superledning eller de kontinuerlige fluktuationer mellem magnetiske tilstande i kvantespinvæsker.

"For svagt korrelerede materialer som de originale topologiske isolatorer fungerer første principberegninger rigtig godt," sagde Yi. "Bare baseret på, hvordan atomerne er arrangeret, kan du beregne, hvilken slags båndstruktur du kan forvente. Der er en rigtig god vej fra et materialedesignperspektiv. Du kan endda forudsige materialernes topologi."

"Men stærkt korrelerede materialer er mere udfordrende," sagde hun. "Der er en mangel på sammenhæng mellem teori og måling. Så det er ikke kun svært at finde materialer, der både er stærkt korrelerede og topologiske, men når man finder dem og måler dem, er det også meget svært at forbinde det, man måler. med en teoretisk model, der forklarer, hvad der foregår."

Yi og Dai sagde, at kagome-gittermaterialer kunne give en vej frem.

"På et tidspunkt vil du gerne være i stand til at sige," Jeg vil lave et materiale med særlig adfærd og egenskaber," sagde Yi. "Jeg tror, ​​at kagome er en god platform i den retning, fordi der er måder at lave direkte forudsigelser på, baseret på krystalstrukturen, om den slags båndstruktur, du vil få, og derfor om de fænomener, der kan opstå baseret på den båndstruktur. Det har mange af de rigtige ingredienser." + Udforsk yderligere

Nyopdagede magnetiske interaktioner kan føre til nye måder at manipulere elektronstrømmen på