Ordine antiferromagnetico (in alto) e antiferromagnetico inclinato (in basso). In quest'ultimo caso gli spin sono inclinati rispetto all'asse c facile, determinando un contributo ferromagnetico nel piano ortogonale a tale asse (rappresentato da frecce verdi). Credito:ETH Zurigo/D-PHYS
I materiali che combinano proprietà elettroniche topologiche e magnetismo quantistico sono di grande interesse per la fisica quantistica a molti corpi che presentano e per le possibili applicazioni nei componenti elettronici. I fisici dell'ETH hanno ora stabilito il meccanismo microscopico che collega il magnetismo e la topologia a banda elettronica per uno di questi materiali.
La materia di Dirac è un'intrigante classe di materiali con proprietà interessanti:gli elettroni in questi materiali si comportano come se non avessero massa. Il materiale Dirac più importante è il grafene, ma altri sono stati scoperti negli ultimi 15 anni. Ognuno funge da ricco parco giochi per esplorare comportamenti elettronici esotici, alcuni dei quali potrebbero consentire nuovi componenti per l'elettronica.
Però, sono pochissimi gli esempi in cui la topologia delle bande elettroniche è collegata in maniera ben definita alle proprietà magnetiche dei materiali. Un materiale in cui è stata osservata tale interazione tra stati elettronici topologici e magnetismo è CaMnBi 2 , ma il meccanismo che collega i due è rimasto poco chiaro. Scrivendo in Lettere di revisione fisica , postdoc Run Yang e Ph.D. lo studente Matteo Corasaniti del gruppo di Spettroscopia Ottica del Prof. Leonardo Degiorgi presso il Laboratorio di Fisica dello Stato Solido dell'ETH di Zurigo, lavorando con i colleghi del Brookhaven National Laboratory (USA) e dell'Accademia cinese delle scienze a Pechino, ora riporto uno studio completo che fornisce prove evidenti che una leggera spinta sui momenti magnetici, noto come spin canting, provoca sostanziali cambiamenti nella struttura della banda elettronica.
CaMnBi 2 e il relativo composto SrMnBi 2 mostrano il magnetismo quantistico - gli ioni di manganese sono ordinati in modo antiferromagnetico a temperatura ambiente e inferiore - e allo stesso tempo, ospitano gli elettroni di Dirac. Si sospetta che ci sia un'interazione tra le due proprietà, come a ~50 K, appare un 'urto' inaspettato nelle proprietà di conduzione di questi materiali. Ma la natura precisa di questa anomalia è stata finora poco compresa.
In lavori precedenti che studiano le proprietà ottiche, Corasanti, Yang e collaboratori avevano già stabilito un collegamento con le proprietà elettroniche del materiale. Hanno sfruttato il fatto che l'anomalia simile a una protuberanza nelle proprietà di trasporto può essere spostata in temperatura sostituendo alcuni degli atomi di calcio con sodio. Per determinare le origini microscopiche del comportamento osservato, hanno studiato campioni con diversi drogaggi di sodio mediante magnetometria di coppia. In questa tecnica, la coppia su un campione magnetico viene misurata quando è esposto a un campo adeguatamente forte, analogo all'ago di una bussola che si allinea con il campo magnetico terrestre. Questo approccio ha indirizzato il team alle origini dell'anomalia.
Un solido legame tra proprietà magnetiche ed elettroniche
Nei loro esperimenti di coppia magnetica, i ricercatori hanno scoperto che a temperature in cui non si osserva alcuna anomalia nelle misurazioni del trasporto elettronico, il comportamento magnetico è simile ad un antiferromagnete. Però, alle temperature alle quali si manifesta l'anomalia, apparve un componente ferromagnetico, che può essere spiegato da una proiezione di momenti magnetici sul piano ortogonale all'asse c di spin facile dell'ordine antiferromagnetico originale (vedi figura). Questo fenomeno è noto come spin canting, indotto da un cosiddetto meccanismo di superscambio.
Queste due serie di esperimenti, le misurazioni ottiche e di coppia, sono state supportate da calcoli dedicati ai primi principi. In particolare, per il caso in cui lo spin canting è stato incluso nei calcoli, è stata trovata una peculiare ibridazione tra gli atomi di manganese e bismuto per mediare l'accoppiamento magnetico interstrato e per governare le proprietà elettroniche nel materiale. Presi insieme, lo studio stabilisce un collegamento diretto tra le proprietà magnetiche e le modifiche alla struttura della banda elettronica, riflesso nell'anomalia del bump delle proprietà di trasporto.
Questi risultati aprono la porta all'esplorazione delle proprietà elettroniche di CaMnBi 2 e relativi composti, così come le possibilità derivanti dalla connessione tra proprietà magnetiche e stati topologici in queste intriganti forme di materia.
