Låser op for topologiske magnoners magnetiske superkræfter

I det evigt udviklende landskab af kondenseret stoffysik er der opstået et nyligt gennembrud fra samarbejdet mellem forskere ved Peter Grünberg Instituttet (PGI-1), École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Paul Scherrer Institut i Schweiz og Jülich Center for Neutronvidenskab (JCNS).

Dette synergetiske arbejde, drevet af trioen Manuel dos Santos Dias, Nikolaos Biniskos og Flaviano dos Santos og ledet af Stefan Blügel, Thomas Brückel og Samir Lounis, har dykket ned i uudforskede magnoniske egenskaber inden for Mn₅ Ge₃ , et tredimensionelt ferromagnetisk materiale.

Topologi, et centralt begreb i moderne fysik, har allerede spillet en transformativ rolle i forståelsen af ​​elektroner i faste stoffer. Fra kvante Hall-effekter til topologiske isolatorer er topologiens indflydelse vidtrækkende. I denne sammenhæng er fokus flyttet til magnoner - kollektiv præcession af magnetiske momenter - som potentielle bærere af topologiske effekter. Magnoner, som er bosoner, kan udvise unikke fænomener, der ligner deres fermioniske modstykker.

Forskerholdet havde til formål at udforske de magnoniske egenskaber af Mn₅ Ge₃ , en 3D centrosymmetrisk ferromagnet. Gennem en kombination af tæthedsfunktionsteoriberegninger, spinmodelsimuleringer og neutronspredningseksperimenter afslørede de materialets usædvanlige magnonbåndstruktur.

Den centrale åbenbaring var eksistensen af ​​Dirac-magnoner med et energigab, et fænomen, der tilskrives Dzyaloshinskii-Moriya-interaktioner. Denne interaktion, identificeret i materialet, er ansvarlig for at skabe et hul i magnonspektret.

Justerbarheden af ​​mellemrummet ved at dreje magnetiseringsretningen ved hjælp af et påført magnetfelt karakteriserer Mn₅ Ge₃ som et tredimensionelt materiale med gabende Dirac-magnoner. Denne kløft, teoretisk forklaret og eksperimentelt demonstreret, understregede den topologiske natur af Mn₅ Ge₃ 's magnons.

Forskerholdets resultater bidrager ikke kun til den grundlæggende forståelse af topologiske magnoner, men fremhæver også Mn₅ Ge₃ som en potentiel game-changer inden for magnetiske materialers rige.

Det indviklede samspil mellem faktorer afsløret i Mn₅ Ge₃ åbner op for nye muligheder for at designe materialer med skræddersyede magnetiske egenskaber. Da materialets magnetiske egenskaber kan finjusteres, bliver udsigten til at integrere disse topologiske magnoner i nye enhedskoncepter til praktiske anvendelser mere og mere gennemførlig.

Da det videnskabelige samfund fortsætter med at udforske grænserne for fysik af kondenseret stof, markerer denne undersøgelse en væsentlig milepæl i at optrevle mysterierne bag magnetiske materialer. Implikationen af ​​forskningen udvider ikke kun vores forståelse af magnoner, men baner også vejen for at udnytte deres unikke kvanteegenskaber i fremtidige teknologier.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Flere oplysninger: M. dos Santos Dias et al., Topologiske magnoner drevet af Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen i den centrosymmetriske ferromagnet Mn5Ge3, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43042-3

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Forschungszentrum Juelich