Questa illustrazione mostra il caratteristico motivo a "stella dello sceriffo" della superficie di Fermi, o distribuzione dell'energia e della quantità di moto degli elettroni, per il metallo kagome FeSn, un composto in rapporto 1 a 1 di ferro e stagno. Credito:Min Gu Kang
Dal 2016, un team di ricercatori del MIT composto da studenti laureati Linda Ye e Min Gu Kang, professore associato di fisica Joseph G. Checkelsky, e Classe del 1947, Professore assistente allo sviluppo della carriera di Fisica Riccardo Comin si è concentrato sull'esplorazione della struttura elettronica che sorge quando gli atomi di ferro (Fe) e stagno (Sn) si combinano in schemi ripetuti che sembrano cestini di kagome giapponesi, o la Stella di David. Il comportamento elettronico di queste strutture cristalline "kagome" varia con il rapporto tra atomi di ferro e stagno, di solito tre a due o tre a uno.
L'anno scorso, i membri del team del MIT e i loro colleghi hanno riferito che Fe 3 Sn 2 , un composto con un rapporto di tre a due tra ferro e stagno, genera fermioni di Dirac, un tipo speciale di stato elettronico in cui lo spin dell'elettrone e l'orbita dell'elettrone sono accoppiati tra loro. Questo stato speciale di movimento degli elettroni è protetto dalla topologia, o struttura geometrica, del cristallo.
I composti ferro-stagno sono di particolare interesse perché il magnetismo naturale degli atomi di ferro influenza ulteriormente il loro comportamento elettronico, in particolare facendo in modo che gli spin degli elettroni vicini si alternino in direzioni opposte (in senso orario o antiorario), che si chiama antiferromagnetismo. In un rapporto pubblicato il 9 dicembre in Materiali della natura , questi ricercatori e 18 coautori negli Stati Uniti e altrove trovano che in un composto ferro-stagno uno a uno, la simmetria del reticolo kagome è speciale, ospitando contemporaneamente sia particelle infinitamente leggere senza massa (chiamate fermioni di Dirac) sia particelle infinitamente pesanti (che si manifestano sperimentalmente come bande piatte nella struttura elettronica del materiale).
"Il nostro studio combina vari campi della fisica (topologia, magnetismo, ed elettroni fortemente correlati) in un'unica piattaforma di metalli kagome ideali, " dice il co-primo autore Min Gu Kang, uno studente laureato in fisica. "Riteniamo che sfruttare il ricco e unico spettro elettronico di FeSn potrebbe essere la base di nuove fasi topologiche e dispositivi spintronici".
Realizzare sperimentalmente questa speciale struttura a bande elettroniche è stato particolarmente difficile perché, in veri composti di kagome, l'interferenza con un reticolo "ideale" deriva da elettroni che interagiscono tra gli strati, elettroni che saltano agli atomi più vicini, e i molteplici gradi di libertà orbitali di ciascun elettrone. Di recente, nel 2014, La professoressa Maria Roser Valenti dell'Università Goethe di Francoforte in Germania ha scritto in Nature Communications che una struttura a bande di kagome così ideale è "più una curiosità numerica di un modello semplificato che una caratteristica accessibile in materiali reali".
Una svolta nel lavoro attuale è stata la sintesi del composto uno a uno FeSn. La struttura di questo composto ferro-stagno differisce dai composti kagome studiati in precedenza, perché ogni strato ferro-stagno a struttura kagome è ben separato da uno strato distanziatore costituito unicamente da atomi di stagno. In questa struttura, ogni strato di kagome di ferro-stagno si comporta come uno strato di kagome bidimensionale all'interno del cristallo di kagome tridimensionale, ponendo le basi per realizzare una struttura ideale per banda kagome.
I ricercatori hanno confermato le loro scoperte sulla struttura elettronica di uno a uno ferro-stagno combinando due sonde di struttura elettronica complementari:spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) e esperimenti di oscillazione quantistica di de Haas-van Alphen. Gli studenti laureati Kang e Abraham L. Levitan del gruppo di Riccardo Comin hanno effettuato gli esperimenti ARPES presso l'Advanced Light Source di Berkeley, California, e la studentessa Linda Ye del gruppo di Joe Checkelsky hanno eseguito esperimenti di oscillazione quantistica di de Haas-van Alphen presso il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, Florida, e Los Alamos, Nuovo Messico.
I loro esperimenti ARPES dipendenti dalla polarizzazione e dall'energia dei fotoni dimostrano inequivocabilmente l'emergere simultaneo di fermioni di Dirac e bande piatte vicino all'energia di Fermi, dicono i ricercatori. "Questo realizza pienamente le strutture elettroniche kagome tanto ricercate, e innalza il FeSn come il primo kagome metal "ideale", " dice Kang.
A causa degli strati contrastanti in uno a uno di ferro-stagno, strati di atomi di ferro e stagno strutturati in uno schema a "stella di sceriffo" o "kagome" alternati a strati di soli atomi di stagno, i ricercatori hanno scoperto un altro aspetto unico di questo materiale . Quando il materiale viene tagliato, la nuova superficie rivelata si comporta diversamente sia che esponga uno strato di solo stagno o uno strato di ferro-stagno. Questa diversa struttura elettronica di superficie è stata confermata dal fascio di fotoni microfocalizzati della linea di luce MAESTRO presso l'Advanced Light Source. Questa combinazione di comportamenti elettronici bidimensionali e tridimensionali in un singolo materiale potrebbe essere sfruttata per progettare dispositivi spintronici a commutazione rapida/bassa potenza, superconduttori di spin, e un effetto Hall anomalo quantistico ad alta temperatura, dicono i ricercatori.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
