Un team internazionale guidato da ricercatori dell'Università di Princeton ha scoperto una nuova classe di magneti che mostra nuovi effetti quantistici che si estendono fino alla temperatura ambiente.

I ricercatori hanno scoperto una fase topologica quantizzata in un magnete incontaminato. Le loro scoperte forniscono informazioni su una teoria di 30 anni su come gli elettroni quantizzano spontaneamente e dimostrano un metodo di prova del principio per scoprire nuovi magneti topologici. I magneti quantistici sono piattaforme promettenti per la corrente senza dissipazione, elevata capacità di stoccaggio e future tecnologie verdi. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Natura questa settimana.

Le radici della scoperta risiedono nel funzionamento dell'effetto Hall quantistico, una forma di effetto topologico che fu oggetto del Premio Nobel per la Fisica nel 1985. Questa era la prima volta che un ramo della matematica teorica, chiamato topologia, inizierebbe a cambiare radicalmente il modo in cui descriviamo e classifichiamo la materia che compone il mondo che ci circonda. Da allora, le fasi topologiche sono state intensamente studiate nella scienza e nell'ingegneria. Sono state trovate molte nuove classi di materiali quantistici con strutture elettroniche topologiche, compresi isolanti topologici e semimetalli Weyl. Però, mentre alcune delle idee teoriche più interessanti richiedono magnetismo, la maggior parte dei materiali esplorati sono stati non magnetici e non mostrano quantizzazione, lasciando molte possibilità allettanti irrealizzate.

"La scoperta di un materiale topologico magnetico con comportamento quantizzato è un importante passo avanti che potrebbe sbloccare nuovi orizzonti nello sfruttamento della topologia quantistica per la futura fisica fondamentale e la ricerca sui dispositivi di prossima generazione", ha affermato M. Zahid Hasan, l'Eugene Higgins Professore di Fisica all'Università di Princeton, che ha guidato il gruppo di ricerca.

Mentre si facevano rapidamente scoperte sperimentali, la fisica teorica eccelleva nello sviluppo di idee che portassero a nuove misurazioni. Importanti concetti teorici sugli isolanti topologici 2-D sono stati proposti nel 1988 da F. Duncan Haldane, il professore di fisica matematica Thomas D. Jones e il professore di fisica della Sherman Fairchild University a Princeton, che nel 2016 è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica per le scoperte teoriche delle transizioni di fase topologiche e delle fasi topologiche della materia. Successivi sviluppi teorici hanno mostrato che il magnetismo che ospita l'isolante topologico in una speciale disposizione atomica nota come reticolo di kagome può ospitare alcuni degli effetti quantistici più bizzarri.

Hasan e il suo team sono alla ricerca decennale di uno stato quantistico magnetico topologico che possa funzionare anche a temperatura ambiente dalla scoperta dei primi esempi di isolanti topologici tridimensionali. Recentemente, hanno trovato una soluzione materiale alla congettura di Haldane in un magnete reticolare kagome che è in grado di funzionare a temperatura ambiente, che mostra anche la tanto desiderata quantizzazione. "Il reticolo del kagome può essere progettato per possedere incroci di banda relativistici e forti interazioni elettrone-elettrone. Entrambi sono essenziali per il nuovo magnetismo. Pertanto, ci siamo resi conto che i magneti kagome sono un sistema promettente in cui cercare fasi magnetiche topologiche in quanto sono come gli isolanti topologici che abbiamo studiato prima, " disse Hassan.

Per così tanto tempo, materiale diretto e visualizzazione sperimentale di questo fenomeno è rimasto sfuggente. Il team ha scoperto che la maggior parte dei magneti kagome era troppo difficile da sintetizzare, il magnetismo non era sufficientemente compreso, non è stato possibile osservare firme sperimentali decisive della topologia o della quantizzazione, oppure funzionano solo a temperature molto basse.

"Una chimica atomica adeguata e un design della struttura magnetica accoppiato alla teoria dei primi principi è il passo cruciale per rendere realistica la previsione speculativa di Duncan Haldane in un ambiente ad alta temperatura, " disse Hasan. "Ci sono centinaia di magneti kagome, e abbiamo bisogno sia dell'intuizione, Esperienza, calcoli specifici per i materiali, e intensi sforzi sperimentali per trovare finalmente il materiale giusto per un'esplorazione approfondita. E questo ci ha portato in un viaggio lungo dieci anni".

Attraverso diversi anni di intensa ricerca su diverse famiglie di magneti topologici (Nature 562, 91 (2018); Fisica della natura 15, 443 (2019), Fis. Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Natura Comuni. 11, 559 (2020), Fis. Rev. Lett. 125, 046401 (2020)), il team si è progressivamente reso conto che un materiale costituito dagli elementi terbio, manganese e stagno (TbMn6Sn6) ha la struttura cristallina ideale con chimicamente incontaminate, proprietà quantomeccaniche e strati reticolari di kagome spazialmente segregati. Inoltre, presenta in modo univoco una forte magnetizzazione fuori dal piano. Con questo magnete kagome ideale sintetizzato con successo a livello del grande cristallo singolo dai collaboratori del gruppo di Shuang Jia all'Università di Pechino, Il gruppo di Hasan ha iniziato misurazioni sistematiche all'avanguardia per verificare se i cristalli sono topologici e, più importante, presentano lo stato magnetico quantistico esotico desiderato.

Il team di ricercatori di Princeton ha utilizzato una tecnica avanzata nota come microscopia a scansione tunnel, che è in grado di sondare le funzioni d'onda elettroniche e di spin di un materiale su scala subatomica con risoluzione energetica inferiore al millivolt. In queste condizioni calibrate, i ricercatori hanno identificato gli atomi del reticolo magnetico del kagome nel cristallo, risultati che sono stati ulteriormente confermati dalla spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo all'avanguardia con risoluzione del momento.

"La prima sorpresa è stata che il reticolo magnetico del kagome in questo materiale è super pulito nella nostra microscopia a scansione a effetto tunnel, " ha detto Songtian Sonia Zhang, un co-autore dello studio che ha ottenuto il suo dottorato di ricerca. a Princeton all'inizio di quest'anno. "La visualizzazione sperimentale di un tale reticolo di kagome magnetico privo di difetti offre un'opportunità senza precedenti per esplorare le sue proprietà quantistiche topologiche intrinseche".

Il vero momento magico è stato quando i ricercatori hanno acceso un campo magnetico. Hanno scoperto che gli stati elettronici del reticolo del kagome modulano drammaticamente, formando livelli di energia quantizzati in modo coerente con la topologia di Dirac. Aumentando gradualmente il campo magnetico a 9 Tesla, che è centinaia di migliaia di volte superiore al campo magnetico terrestre, hanno sistematicamente mappato la quantizzazione completa di questo magnete. "È estremamente raro - non è stato ancora trovato - trovare un sistema magnetico topologico con il diagramma quantizzato. Richiede un design del materiale magnetico quasi privo di difetti, teoria perfezionata e misurazioni spettroscopiche all'avanguardia", ha affermato Nana Shumiya, uno studente laureato e co-autore dello studio.

Il diagramma quantizzato misurato dal team fornisce informazioni precise che rivelano che la fase elettronica corrisponde a una variante del modello Haldane. Conferma che il cristallo presenta una dispersione di Dirac spin-polarizzata con un ampio gap di Chern, come previsto dalla teoria per i magneti topologici. Però, mancava ancora un pezzo del puzzle. "Se questo è veramente un divario di Chern, quindi in base al fondamentale principio topologico bulk-boundary, dovremmo osservare stati chirali (traffico a senso unico) al bordo del cristallo, "ha detto Hasan.

Il pezzo finale è andato a posto quando i ricercatori hanno scansionato il confine o il bordo del magnete. Hanno trovato una chiara firma di uno stato limite solo all'interno del gap energetico di Chern. Propagandosi lungo il lato del cristallo senza dispersione apparente (che rivela il suo carattere senza dissipazione), lo stato è stato confermato essere lo stato del bordo topologico chirale. L'imaging di questo stato non aveva precedenti in nessun precedente studio sui magneti topologici.

I ricercatori hanno inoltre utilizzato altri strumenti per controllare e riconfermare le loro scoperte sui fermioni di Dirac gapped di Chern, comprese le misurazioni del trasporto elettrico di scala anomala di Hall, spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo della dispersione di Dirac nello spazio del momento, e calcoli primi principi dell'ordine topologico nella famiglia materiale. I dati hanno fornito uno spettro completo di prove interconnesse che puntano tutte alla realizzazione di una fase Chern limite quantistica in questo magnete kagome. "Tutti i pezzi si incastrano in una dimostrazione da manuale della fisica dei fermioni magnetici di Dirac con gap di Chern, " ha detto Tyler A. Cochran, uno studente laureato e co-primo autore dello studio.

Ora il focus teorico e sperimentale del gruppo si sta spostando sulle decine di composti con strutture simili a TbMn6Sn6 che ospitano reticoli di kagome con una varietà di strutture magnetiche, ciascuno con la sua topologia quantistica individuale. "La nostra visualizzazione sperimentale della fase di Chern limite quantistico dimostra una metodologia di prova del principio per scoprire nuovi magneti topologici, " disse Jia-Xin Yin, un ricercatore postdottorato senior e un altro co-primo autore dello studio.

"È come scoprire l'acqua in un esopianeta:apre una nuova frontiera della ricerca topologica sulla materia quantistica per cui il nostro laboratorio di Princeton è stato ottimizzato, "ha detto Hasan.