Eksternt magnetfelt forårsager skift i elektronisk Dirac-båndstruktur i en kagomemagnet

Ved at arbejde med et kvantemateriale kendt som en kagome-magnet har et hold af Boston College-fysikere og -kolleger direkte målt, hvordan individuelle elektroniske kvantetilstande i det nye materiale reagerer på eksterne magnetfelter ved at skifte energi på en usædvanlig måde, rapporterer forskerne i den seneste nyhed. onlineudgave af tidsskriftet Nature Physics .

Målingerne genereret af projektet er de første af deres slags til direkte at måle den momentum-opløste, felt-inducerede udvikling af disse kvantetilstande, ifølge holdet, som samarbejdede med forskere ved Renmin University i Beijing, Kina.

Resultaterne tilbød den første eksperimentelle demonstration af teoretiske forudsigelser om, hvordan elektronisk båndstruktur kan ændre sig i disse nye materialer, i dette tilfælde bulk-enkeltkrystaller af yttriummangan-tin YMn₆ Sn₆ , ifølge Boston College Associate Professor of Physics Ilija Zeljkovic, en ledende medforfatter af rapporten.

"Når et magnetfelt påføres et materiale, kan den elektroniske båndstruktur - som er en samling af kvantetilstande, som elektroner i faste stoffer kan optage - ændre sig på usædvanlige måder," sagde Zeljkovic. "Disse ændringer er hidtil blevet udledt af teoretiske beregninger eller tilgået indirekte fra felt-inducerede ændringer i makroskopiske målbare egenskaber. Direkte måling af felt-inducerede ændringer i den elektroniske båndstruktur har været vanskelige at måle."

Holdet overvandt de eksperimentelle udfordringer ved at studere materialet gennem spektroskopisk billeddannende tunnelmikroskopi. Kagome-magneter, som YMn₆ Sn₆ undersøgt af holdet, hedder det, fordi de har magnetisk struktur og et atomgitter, der ligner japanske "kagome"-vævede kurve.

Kagome-magneter rummer såkaldte Dirac-fermioner, som Zeljkovic forklarede er kvasipartikler karakteriseret ved nul masse og en lineær energi-momentum-spredning i elektronisk båndstruktur, der ligner relativistiske partikler.

Teoretiske fysikere som Zeljkovics kollega og medforfatter, Boston College professor i fysik Ziqiang Wang, har matematisk vist, at Dirac-fermioner kan udvikle sig – fra energi og momentum – som reaktion på et magnetfelt. Holdet satte sig for at teste disse forudsigelser, sagde Zeljkovic.

Holdet fandt ud af, at kvantetilstande forbundet med Dirac-fermioner reagerer stærkt på magnetfelter og skifter til højere energier uanset retningen af ​​feltet, ifølge Nature Physics rapport, som har titlen "Manipulation of Dirac band curvature and momentum-dependent g-factor in a kagome magnet."

"Interessant nok udviser de et momentumafhængigt skift - for et indstillet magnetfelt skifter kvantetilstande nær Dirac-punktet mest; skiftet bliver gradvist mindre væk fra Dirac-punktet," sagde Zeljkovic. Dirac-punktet er et punkt i energi-momentum-rummet, hvor lednings- og valensbånd berører hinanden.

Zeljkovic sagde, at forventningen var, at systemet uden magnetfelt ville være vært for masseløse - eller nul masse - Dirac-fermioner baseret på orienteringen af ​​spins, der primært ligger i planet. I stedet lavede holdet den overraskende observation, at Dirac-fermioner i dette materiale ved nulfelt har endelig masse. Hvorfor dette skete vil være et spørgsmål for teoretikere at undersøge nærmere.

Fra et eksperimentelt synspunkt sagde Zeljkovic, at der er mange yderligere spørgsmål at løse baseret på disse resultater. Specifikt er der flere konkurrerende effekter, der kan føre til en momentumafhængig båndevolution, der involverer elektronspin og orbitale frihedsgrader.

Især orbital magnetisme, en egenskab, der for nylig har skabt opmærksomhed og begejstring blandt forskere, der studerer "snoede" van der Waals-strukturer, er en af ​​de ekstremt spændende muligheder, sagde Zeljkovic.

"Vores fremtidige eksperimenter vil fokusere på at afvikle forskellige bidrag og undersøge orbital magnetisme i denne og relaterede kagome-magneter," tilføjede Zeljkovic. + Udforsk yderligere

En kagome gitter superleder afslører en 'kaskade' af kvanteelektrontilstande