Come tanti obiettivi di indagine scientifica, la classe di materiale denominata magnete kagome ha dimostrato di essere fonte sia di frustrazione che di stupore. L'ulteriore rivelazione delle proprietà quantistiche del magnete kagome è vista come una delle sfide principali della fisica fondamentale, sia per i teorici che per gli sperimentali.

Un'insolita geometria sottostante alla disposizione atomica è fondamentale per il valore di questi materiali. I reticoli di Kagome sono descritti come reti intersecanti di "triangoli che condividono gli angoli" e sono apprezzati per il comportamento unico degli elettroni che lo attraversano, terreno fertile per lo studio degli stati elettronici quantistici descritti come frustrati, correlata e topologica.

Un recente studio di un gruppo internazionale di ricercatori, pubblicato sulla rivista Natura , trovato il ferromagnete kagome Fe3Sn2 mostra uno stato elettronico che si accoppia in modo insolitamente forte a un campo magnetico applicato che può essere ruotato per puntare in qualsiasi direzione di uno spazio tridimensionale, rivelando in scala quantistica un "gigante" spostamento di energia elettronica guidato dalla magnetizzazione che si verifica all'interno del materiale.

Questo spostamento di energia getta nuova luce sulla presenza di accoppiamento spin-orbita e trame di spin topologiche nei reticoli kagome, dove le strutture magnetiche ed elettroniche sono intrecciate e producono un'attività spin-orbita insolita, spesso precedentemente sconosciuta, ha detto il professore di fisica del Boston College Ziqiang Wang, un coautore della relazione, intitolato "sintonizzabilità spin-orbita gigante e anisotropa in un magnete kagome fortemente correlato".

"Abbiamo scoperto due cose. La prima è che lo stato elettronico di Fe3Sn2 è nematico, uno stato che rompe spontaneamente la simmetria di rotazione. Gli elettroni si comportano come un cristallo liquido all'interno di questo magnete, presumibilmente a causa della forte interazione elettrone-elettrone, " ha detto Wang. "La seconda cosa che abbiamo scoperto è che puoi manipolare e apportare grandi cambiamenti alla struttura energetica degli elettroni attraverso la sintonizzazione della struttura magnetica applicando un campo magnetico".

Wang, un fisico teorico, e studente laureato Kun Jiang, dottorato di ricerca, che hanno studiato nuovi stati elettronici quantistici risultanti dall'interazione dell'interazione elettrone-elettrone, frustrazione geometrica, e strutture a bande topologiche, si sono uniti ai colleghi sperimentali che per primi hanno notato l'insolita attività elettronica mentre studiavano il materiale utilizzando la microscopia a effetto tunnel.

Il team, che includeva ricercatori della BC, Università di Princeton, Accademia cinese delle scienze, Università Renmin, e l'Università di Pechino, hanno utilizzato strumenti STM e del campo magnetico vettoriale per identificare le proprietà elettroniche accoppiate spin-orbita del ferromagnete kagome e hanno esplorato i fenomeni esotici al suo interno, durante l'esecuzione di modelli e calcoli per fornire l'interpretazione teorica e la comprensione dei fenomeni osservati.

"Quello che i nostri colleghi hanno scoperto è che cambiando la direzione del campo magnetico, hanno visto cambiamenti negli stati elettronici che sono anormalmente grandi, " ha detto Wang. "I cambiamenti delle bande - ci sono bande lacune, regioni proibite nella meccanica quantistica in cui gli elettroni non possono risiedere:quelle regioni possono essere enormemente sintonizzate dal campo magnetico applicato".

Il "spostamento di banda" è un cambiamento nella struttura elettronica della banda, disse Wang. Espande e restringe il gap di banda a seconda delle direzioni del campo magnetico. Il ferromagnete kagome ha mostrato uno spostamento circa 150 volte maggiore rispetto ai materiali ordinari.

L'analisi dei modelli di interferenza delle funzioni d'onda della meccanica quantistica dell'elettrone ha rivelato una nematicità spontanea coerente, un'indicazione di un'importante correlazione elettronica che causa la rottura della simmetria di rotazione dello stato elettronico nel materiale.

Queste risposte elettroniche giganti guidate dallo spin hanno indicato la possibilità di una sottostante fase topologica magnetica correlata, hanno riferito i ricercatori. La accordabilità del magnete kagome ha rivelato una forte interazione tra un campo magnetico applicato esternamente e la nematicità, fornire nuovi modi per controllare le proprietà spin-orbita ed esplorare i fenomeni emergenti nei materiali topologici o quantistici, ha scritto la squadra.

La gigantesca sintonizzabilità del campo magnetico delle proprietà elettriche potrebbe un giorno portare a potenziali applicazioni in dispositivi elettronici come la memoria e l'archiviazione delle informazioni e le tecnologie di rilevamento, disse Wang.

"Ciò che è eccitante in questi risultati è il potenziale di realizzare qualcosa di utile, " ha detto Wang. "Questo viene dalla fisica molto fondamentale, ma un giorno potrebbe connettersi alle applicazioni. non capiamo tutto, ma ora sappiamo che questo è un materiale che contiene tutti questi importanti ingredienti".