I ricercatori hanno esplorato un materiale che ha una struttura interna, mostrato in 3D nel pannello di sinistra, che consiste in triangoli ed esagoni disposti secondo uno schema simile a quello di un cestino di kagome giapponese. Credito:Hasan, et. al, università di Princeton
Prendendo il nome da un intricato modello di cestino giapponese, Si pensa che i magneti kagome abbiano proprietà elettroniche che potrebbero essere preziose per futuri dispositivi e applicazioni quantistici. Le teorie prevedono che alcuni elettroni in questi materiali hanno esotici, i cosiddetti comportamenti topologici e altri si comportano in qualche modo come il grafene, un altro materiale apprezzato per il suo potenziale per nuovi tipi di elettronica.
Ora, un team internazionale guidato da ricercatori dell'Università di Princeton ha osservato che alcuni degli elettroni in questi magneti si comportano collettivamente, come un elettrone quasi infinitamente massiccio che è stranamente magnetico, piuttosto che come singole particelle. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Fisica della natura questa settimana.
Il team ha anche dimostrato che posizionare il magnete kagome in un campo magnetico elevato provoca l'inversione della direzione del magnetismo. Questo "magnetismo negativo" è come avere una bussola che punta a sud invece che a nord, o una calamita da frigorifero che improvvisamente si rifiuta di attaccarsi.
"Siamo alla ricerca di elettroni super-massicci a 'banda piatta' che possono ancora condurre elettricità per molto tempo, e finalmente li abbiamo trovati, " ha detto il signor Zahid Hasan, l'Eugene Higgins Professore di Fisica all'Università di Princeton, che guidava la squadra. "In questo sistema, abbiamo anche scoperto che a causa di un effetto di fase quantistica interna, alcuni elettroni si allineano di fronte al campo magnetico, producendo magnetismo negativo."
Il team ha esplorato come gli atomi disposti in un modello kagome in un cristallo danno origine a strane proprietà elettroniche che possono avere benefici nel mondo reale, come la superconduttività, che consente all'elettricità di fluire senza perdite sotto forma di calore, o magnetismo che può essere controllato a livello quantistico per l'uso nell'elettronica futura.
I ricercatori hanno utilizzato la microscopia e la spettroscopia a effetto tunnel a scansione all'avanguardia (STM/S) per osservare il comportamento degli elettroni in un cristallo a forma di kagome fatto di cobalto e stagno, racchiusa tra due strati di atomi di zolfo, che sono ulteriormente racchiusi tra due strati di stagno.
Nello strato di kagome, gli atomi di cobalto formano triangoli attorno ad un esagono con al centro un atomo di stagno. Questa geometria costringe gli elettroni in alcune posizioni scomode, portando questo tipo di materiale ad essere chiamato "magnete frustrato".
Per esplorare il comportamento degli elettroni in questa struttura, i ricercatori hanno intaccato gli strati superiori per rivelare lo strato di kagome sottostante.
Hanno quindi utilizzato la tecnica STM/S per rilevare il profilo energetico di ciascun elettrone, o struttura a bande. La struttura a bande descrive la gamma di energie che un elettrone può avere all'interno di un cristallo, e spiega, Per esempio, perché alcuni materiali conducono elettricità e altri sono isolanti. I ricercatori hanno scoperto che alcuni degli elettroni nello strato kagome hanno una struttura a bande che, piuttosto che essere curvo come nella maggior parte dei materiali, è piatto.
Sebbene si preveda che gli elettroni in un magnete che punta a nord si spostino verso l'alto quando sottoposti a un campo magnetico applicato rivolto verso l'alto, gli elettroni kagome si spostano effettivamente verso il basso (pannello di sinistra). L'applicazione di un campo magnetico sposta i livelli di energia degli elettroni (pannello centrale). Gli spostamenti di energia degli elettroni kagome mostrano un grande momento magnetico negativo (a destra, superiore). Le disposizioni orbitali degli elettroni kagome danno origine a un fattore di fase quantistico geometrico (a destra, superiore), nota come fase Berry, che crea uno stato magnetico insolito. Credito:Hasan, et al., università di Princeton
Una struttura a banda piatta indica che gli elettroni hanno una massa effettiva così grande da essere quasi infinita. In tale stato, le particelle agiscono collettivamente piuttosto che come particelle individuali.
Le teorie hanno da tempo previsto che il modello kagome creerebbe una struttura a banda piatta, ma questo studio è il primo rilevamento sperimentale di un elettrone a banda piatta in un tale sistema.
Una delle previsioni generali che seguono è che un materiale con una banda piatta può mostrare magnetismo negativo.
Infatti, nello studio attuale, quando i ricercatori hanno applicato un forte campo magnetico, alcuni degli elettroni del magnete kagome puntavano nella direzione opposta.
"Se il campo è stato applicato su o giù, l'energia degli elettroni si è capovolta nella stessa direzione, questa è stata la prima cosa strana in termini di esperimenti, " ha detto Songtian Sonia Zhang, uno studente laureato in fisica e uno dei tre co-primi autori dell'articolo.
"Questo ci ha sconcertato per circa tre mesi, " disse Jia-Xin Yin, un associato di ricerca post-dottorato e un altro co-primo autore dello studio. "Stavamo cercando il motivo, e con i nostri collaboratori ci siamo resi conto che questa era la prima prova sperimentale che questo picco a banda piatta nel reticolo del kagome ha un momento magnetico negativo".
I ricercatori hanno scoperto che il magnetismo negativo deriva dalla relazione tra la banda piatta del kagome, un fenomeno quantistico chiamato accoppiamento spin-orbita, magnetismo e un fattore quantistico chiamato campo di curvatura di Berry. L'accoppiamento spin-orbita si riferisce a una situazione in cui lo spin di un elettrone, che di per sé è una proprietà quantistica degli elettroni, si lega alla rotazione orbitale dell'elettrone. La combinazione di accoppiamento spin-orbitale e la natura magnetica del materiale porta tutti gli elettroni a comportarsi in lock step, come una singola particella gigante.
Un altro comportamento intrigante che deriva dalle interazioni spin-orbita strettamente accoppiate è l'emergere di comportamenti topologici. Il tema del Premio Nobel 2016 per la Fisica, i materiali topologici possono avere elettroni che scorrono senza resistenza sulle loro superfici e sono un'area attiva di ricerca. Il materiale cobalto-stagno-zolfo è un esempio di sistema topologico.
I reticoli modellati bidimensionali possono avere altri tipi desiderabili di conduttanza elettronica. Per esempio, il grafene è un modello di atomi di carbonio che ha generato un notevole interesse per le sue applicazioni elettroniche negli ultimi due decenni. La struttura a bande del reticolo del kagome dà origine a elettroni che si comportano in modo simile a quelli del grafene.
Lo studio, "Magnetismo negativo a banda piatta in un magnete kagome correlato accoppiato spin-orbita, " di Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilya Belopolski, Nana Shumiya, Daniele Multer, Maksim Litskevich, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Tito Neuperto, Shuang Jia, Hechang Lei e M. Zahid Hasan, è stato pubblicato online il 18 febbraio 2019 sulla rivista Fisica della natura .
