Semimetallo Weyl con simmetria di inversione temporale rotta. Le sfere rosse e blu rappresentano una coppia di punti Weyl con chiralità opposta, che sono generati dal momento magnetico intrinseco. La curva gialla è l'arco di Fermi terminato in questa coppia di punti Weyl. I momenti magnetici sono descritti schematicamente dal campo magnetico. Credito:MPI CPfS
La topologia è un aspetto globale dei materiali, portando a nuove proprietà fondamentali per composti con grandi effetti relativistici. L'incorporazione di elementi pesanti dà luogo a fasi topologiche non banali della materia, come isolanti topologici, Semimetalli di Dirac e Weyl. I semimetalli sono caratterizzati da punti di contatto con la banda con dispersione lineare, simile alle particelle relativistiche senza massa nella fisica delle alte energie.
Il gioco della simmetria, effetti relativistici e, in materiali magnetici, la struttura magnetica, consente la realizzazione di un'ampia varietà di fasi topologiche attraverso il design della curvatura di Berry. La curvatura di Berry descrive l'entanglement delle bande di valenza e di conduzione in una struttura a bande di energia. I punti Weyl e altre bande elettroniche topologiche possono essere manipolati da varie perturbazioni esterne come campi magnetici e pressione, che si traduce in proprietà locali esotiche come l'anomalia chirale o gravitazionale e grandi effetti di Hall topologici, concetti che sono stati sviluppati in altri campi della fisica come la fisica delle alte energie e l'astrofisica.
I semimetalli Weyl richiedono la simmetria del cristallo di inversione rotta o la simmetria di inversione temporale (tramite l'ordine magnetico o un campo magnetico applicato). Finora, non sono stati realizzati semimetalli Weyl magnetici intrinseci con nodi di Weyl vicini all'energia di Fermi. Nel recente studio, scienziati dell'Istituto Max Planck di fisica chimica dei solidi di Dresda, in collaborazione con la Technische Universität Dresden, scienziati di Pechino, Princeton, Oxford, e altri hanno trovato prove della fisica di Weyl negli shanditi magnetici Co 3 Sn 2 S 2 . La famiglia dei cristalli di shandite contiene metalli di transizione su un reticolo di Kagome quasi bidimensionale che può dare origine a magnetismo. Uno dei più interessanti è Co 3 Sn 2 S 2 , che ha la più alta temperatura di ordinamento magnetico all'interno di questa famiglia e in cui i momenti magnetici sugli atomi di Co sono allineati in una direzione perpendicolare al piano di Kagome.
L'osservazione dell'effetto Hall anomalo quantistico a temperatura ambiente consentirebbe nuove tecnologie di calcolo, compresa l'informatica quantistica. Per realizzare questa possibilità, la nostra strategia è (i) cercare materiali magnetici quasi bidimensionali con strutture topologiche a bande e (ii) sintetizzare questi materiali come monostrati o film molto sottili. Però, finora non sono noti materiali magnetici, che potrebbe portare a un effetto Hall anomalo quantistico a temperatura più elevata. Per ottenere grandi angoli di Hall, vale a dire, il rapporto tra la sala e le conducibilità elettriche, devono essere soddisfatte due condizioni:in primo luogo una grande conducibilità di Hall e in secondo luogo un piccolo numero di portanti. Queste condizioni sono soddisfatte nei semimetalli di Weyl dove i nodi di Weyl sono vicini in energia all'energia di Fermi.
Abbiamo scoperto che Co 3 Sn 2 S 2 mostra un gigantesco effetto Hall anomalo e un gigantesco angolo di Hall a temperature fino a 150 K, suggestivo di un semimetallo Weyl. I successivi calcoli della struttura a bande mostrano infatti la presenza di nodi di Weyl vicini all'energia di Fermi. Inoltre, le misurazioni del magnetotrasporto danno evidenza di un'anomalia chirale che è una chiara firma di un semimetallo Weyl. Il nostro lavoro fornisce un percorso chiaro per l'osservazione di un effetto hall anomalo quantistico a temperatura ambiente esplorando famiglie di semimetalli magnetici Weyl.
Questo studio, per la prima volta, realizza i giganteschi effetti Hall anomali utilizzando un semimetallo magnetico Weyl, che stabilisce il candidato semimetallico magnetico Weyl Co 3 Sn 2 S 2 come una classe chiave di materiali per la ricerca e le applicazioni fondamentali che collegano la fisica topologica e la spintronica. Con un ferromagnetismo fuori piano a lungo raggio sul modello a reticolo di Kagomé per la piattaforma degli stati topologici quantistici, ci aspettiamo inoltre che questo materiale sia un ottimo candidato per l'osservazione dello stato quantistico anomalo di Hall nel limite bidimensionale.
