Observationen af ​​en Spin Berry krumning-forstærket orbital Zeeman-effekt i et kagome-metal

I faste materialer stammer magnetisme generelt fra justering af elektronspin. For eksempel i ferromagnetjernet er den samlede nettomagnetisering foranlediget af justeringen af ​​spins i samme retning.

I de senere år har fysikere og materialeforskere identificeret materialer, hvor magnetisme opstår forskelligt på grund af topologiske faktorer. Mange undersøgelser har siden været rettet mod at opdage nye materialer, der udviser disse ukonventionelle former for magnetisme.

Forskere ved Boston College, University of California Santa Barbara, University of Wurzburg og andre institutter har for nylig observeret magnetisme af topologisk oprindelse i et tolags kagome-metal, nemlig TbV₆ Sn₆ . Deres papir, udgivet i Nature Physics , afslørede en kolossal orbital Zeeman-effekt forstærket af Spin Berry-krumning i TbV₆ Sn₆ .

"I nogle nye materialer kan magnetisme opstå på andre måder, for eksempel fra topologien af ​​elektroniske bånd," fortalte Ilija Zeljkovic, medforfatter af papiret, til Phys.org.

"Nogle elektroniske tilstande kan erhverve en egenskab kaldet Berry curvature, som igen kan føre til orbitale magnetiske momenter forbundet med bestemte elektroniske tilstande. Interessant nok kan sådanne orbitale magnetiske momenter være enorme, meget større end for et individuelt spin."

Hovedformålet med den nylige undersøgelse foretaget af Zeljkovic og hans kolleger var at undersøge de særlige kredsløbsmomenter rapporteret i tidligere værker, specifikt i kagome-materialet TbV₆ Sn₆ . Derudover håbede de på bedre at forstå, hvordan disse øjeblikke reagerede på magnetiske felter.

"Kagome-materialer er generelt blevet foreslået at udstille disse på grund af gitterets geometri, der naturligt kan give anledning til topologiske spredningsløse flade bånd og Dirac-punkter, specielle punkter, hvor lineært spredte bånd krydser," sagde Zeljkovic. "Bærkrumning og spin-bærkrumning har en tendens til at være betydelig nær Dirac-punkter, hvis Dirac-punktet er spaltet, hvilket fører til store magnetiske kredsløbsmomenter og letter deres observation."

Forskerne undersøgte deres TbV₆ Sn₆ prøve ved hjælp af en teknik kendt som scanning tunneling mikroskopi og spektroskopi (STM/S). Denne teknik indebærer brug af en skarp metalspids placeret tæt på prøvens overflade (dvs. inden for et par Ångstrøm) til at måle tunnelstrømmen som funktion af spidsens position.

"Tunnelstrømmen indeholder information om den elektroniske densitet af tilstande (DOS), eller hvor mange elektroniske tilstande vi har til rådighed ved en given energi, som elektronerne kan optage," forklarede Zeljkovic. "Vi udførte rumlig spektroskopisk kortlægning af DOS ved hjælp af STM til at kortlægge elektroniske tilstande som en funktion af energi og momentum."

Zeljkovic og hans kolleger gentog efterfølgende det samme eksperiment med fokus på magnetiske felter, med det formål at afdække udviklingen af ​​disse elektroniske tilstande i magnetiske felter. Dette andet eksperiment tillod dem i sidste ende at udtrække de orbitale magnetiske momenter forbundet med individuelle elektroniske tilstande.

"Vi fandt ud af, at orbitale magnetiske momenter nær Dirac-punktet er hundredvis af gange større end magnetiske momenter forbundet med elektronspin," sagde Zeljkovic. "Vi visualiserede også, hvordan de degenererede elektroniske tilstande med modsat Spin Berry-krumning deformeres i magnetiske felter i modsatte retninger, et fænomen, vi omtaler som orbital Zeeman-spaltning."

Forskerne observerede, at opsplitning af elektronbåndets degeneration i deres prøve var overraskende stor, og dens størrelse var forankret i dens store underliggende spin-Berry-krumning. Deres eksperimentelle resultater blev senere bekræftet af en række teoretiske beregninger.

Det seneste arbejde fra dette hold af forskere indsamlede interessant indsigt i ukonventionelle magnetiske tilstande af topologisk oprindelse. I fremtiden kan deres resultater inspirere til yderligere forskningsindsats, der undersøger andre store magnetiske kredsløbsmomenter drevet af Berry-krumningen, såsom dem, der tidligere er observeret i nogle grafen-baserede strukturer.

"I det materiale, vi undersøgte, er store magnetiske kredsløbsmomenter forbundet med tilstande væk fra Fermi-niveauet," tilføjede Zeljkovic. "Hvis man kan tune materialet, så disse elektroniske tilstande kan dukke op i nærheden af ​​Fermi-niveau, ved for eksempel belastning eller kemisk doping, kan disse momenter potentielt give anledning til orbital magnetisme, der også kan detekteres af andre eksperimentelle sonder, og potentielt nyttige for ned -the-line applikationer i enheder."