Forskere indser ideel kagome metal elektronisk struktur

Siden 2016, et hold af MIT-forskere bestående af kandidatstuderende Linda Ye og Min Gu Kang, lektor i fysik Joseph G. Checkelsky, and Class of 1947 Career Development Assistant Professor of Physics Riccardo Comin har fokuseret på at udforske den elektroniske struktur, der opstår, når atomer af jern (Fe) og tin (Sn) kombineres i gentagne mønstre, der ligner japanske kagome-kurve, eller Davidsstjernen. Den elektroniske opførsel af disse krystallinske "kagome" strukturer varierer med forholdet mellem jern og tin atomer, normalt tre til to eller tre til en.

Sidste år, MIT-teammedlemmerne og deres kolleger rapporterede, at Fe ₃ Sn ₂ , en forbindelse med tre til to forhold mellem jern og tin, genererer Dirac-fermioner - en særlig form for elektronisk tilstand, hvor elektronens spin og elektronens kredsløb er koblet til hinanden. Denne særlige tilstand af elektronbevægelse er beskyttet af topologien, eller geometrisk struktur, af krystallen.

Jern-tin-forbindelser er af særlig interesse, fordi den naturlige magnetisme af jernatomer yderligere påvirker deres elektroniske adfærd, især forårsager spin af naboelektroner til at veksle i modsatte retninger (med eller mod uret), som kaldes antiferromagnetisme. I en rapport offentliggjort 9. december in Naturmaterialer , disse forskere og 18 medforfattere i USA og andre steder finder, at i en en til en jern-tin-forbindelse, symmetrien af ​​kagome gitteret er speciel, samtidig vært for både uendeligt lette masseløse partikler (kaldet Dirac-fermioner) og uendeligt tunge partikler (der manifesterer sig eksperimentelt som flade bånd i materialets elektroniske struktur).

"Vores undersøgelse kombinerer forskellige felter inden for fysik (topologi, magnetisme, og stærkt korrelerede elektroner) i en enkelt platform af ideelle kagome-metaller, " siger medforfatter Min Gu Kang, en kandidatstuderende i fysik. "Vi mener, at udnyttelse af det rige og unikke elektroniske spektrum af FeSn kan være grundlaget for nye topologiske faser og spintroniske enheder."

Eksperimentelt at realisere denne specielle elektroniske båndstruktur var især vanskelig, fordi i ægte kagome-forbindelser, interferens med et "ideelt" gitter kommer fra elektroner, der interagerer mellem lag, elektroner, der hopper til atomer, der er nærmest naboer, og hver elektrons multiple orbitale frihedsgrader. Så sent som i 2014, Professor Maria Roser Valenti fra Goethe-Universitetet i Frankfurt i Tyskland skrev i Nature Communications, at en sådan ideel kagome-båndstruktur er "mere en numerisk nysgerrighed for en forenklet model end en tilgængelig funktion i rigtige materialer."

Et gennembrud i det nuværende arbejde var syntesen af ​​en-til-én-forbindelsen FeSn. Strukturen af ​​denne jern-tinforbindelse adskiller sig fra tidligere undersøgte kagomeforbindelser, fordi hvert jern-tin-lag med en kagome-struktur er godt adskilt af et spacer-lag, der udelukkende består af tinatomer. I denne struktur, hvert jern-tin kagome lag opfører sig som et todimensionalt kagome lag inden i den tredimensionelle kagome krystal, sætter scenen for at realisere en ideel kagome-bandstruktur.

Forskerne bekræftede deres resultater om den elektroniske struktur af en til en jern-tin ved at kombinere to komplementære elektroniske strukturprober:vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) og de Haas-van Alphen kvanteoscillationseksperimenter. Kandidatstuderende Kang og Abraham L. Levitan i Riccardo Comins gruppe udførte ARPES-eksperimenterne ved Advanced Light Source i Berkeley, Californien, og kandidatstuderende Linda Ye i Joe Checkelskys gruppe udførte de Haas-van Alphen kvanteoscillationseksperimenter ved National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida, og Los Alamos, Ny mexico.

Deres fotonenergi- og polarisationsafhængige ARPES-eksperimenter demonstrerer utvetydigt den samtidige fremkomst af både Dirac-fermioner og flade bånd nær Fermi-energien, siger forskerne. "Dette realiserer fuldt ud de længe søgte kagome elektroniske strukturer, og hæver FeSn som det første 'ideelle' kagome metal, " siger Kang.

På grund af de kontrasterende lag i et til et jern-tin - lag af jern og tinatomer struktureret i et "sheriff-stjernetype" eller "kagome"-mønster, der veksler med kun lag af tinatomer - opdagede forskerne et andet unikt aspekt af dette materiale . Når materialet er skåret igennem, den nye overflade, der afsløres, opfører sig forskelligt, uanset om den blotlægger et lag med kun tin eller et lag af jern-tin. Denne forskellige elektroniske overfladestruktur blev bekræftet af den mikrofokuserede fotonstråle fra MAESTRO-strålelinjen ved den avancerede lyskilde. Denne kombination af todimensionel og tredimensionel elektronisk adfærd i et enkelt materiale kunne udnyttes til at konstruere hurtigskiftende/laveffekt spintroniske enheder, spin superledere, og en højtemperatur kvante-anomal Hall-effekt, siger forskerne.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.