Struttura cristallina e struttura di spin di Mn3Sn. (A) Struttura cristallina di Mn3Sn, che consiste in strati sovrapposti di Kagome Mn3Sn, e (B) struttura di spin triangolare nello strato di Kagome (piano ab). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1977
I materiali quantistici emergenti possono essere definiti dalla topologia e da forti correlazioni elettroniche, sebbene le loro applicazioni nei sistemi sperimentali siano relativamente limitate. I semimetalli Weyl che incorporano il magnetismo offrono una piattaforma unica e fertile per esplorare i fenomeni emergenti nello sviluppo della materia topologica e della spintronica topologica. L'antiferromagnete triangolare Mn 3 Sn mostra molte proprietà fisiche esotiche come un semimetallo Weyl antiferromagnetico (AFM) (WSM), compreso un attraente effetto Hall spontaneo di grandi dimensioni.
L'effetto Hall spontaneo è stato scoperto più di un secolo fa e compreso in termini di rottura della simmetria di inversione temporale da parte della struttura di spin interna dell'antiferromagnetico, forme ferromagnetiche o skyrmionic (piccoli difetti topologici vorticosi nella magnetizzazione).
In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Durga Khadka e un team di scienziati in fisica, scienza dei materiali, la ricerca e l'ingegneria dei neutroni negli Stati Uniti hanno riportato la sintesi di Mn . epitassiale 3+x Sn 1−x film con composizioni simili a campioni sfusi. Quando hanno sostituito gli atomi di stagno (Sn) con atomi di manganese magnetico (Mn) nei campioni, hanno notato l'effetto Kondo; un celebre esempio di forti correlazioni da emergere, quindi sviluppare coerenza e indurre un gap energetico di ibridazione. Il processo di drogaggio magnetico e apertura del gap ha favorito ricche proprietà straordinarie per i nuovi materiali.
I semimetalli Weyl e l'effetto Kondo
Gli scienziati dei materiali studiano la topologia della struttura a bande e la progettazione dei materiali come una caratteristica sempre più importante che contribuisce a molti comportamenti esotici in nuovi materiali quantistici. La teoria delle bande o struttura delle bande definisce il comportamento quantomeccanico degli elettroni nei solidi. La topologia della struttura a bande è fondamentale per comprendere lo sviluppo di semimetalli topologici gapless come i semimetalli Weyl (WSM) e i semimetalli Dirac che sono analoghi tridimensionali (3-D) del grafene.
I semimetalli di Weyl sono cristalli allo stato solido con eccitazioni a bassa energia noti come fermioni di Weyl che trasportano carica elettrica a temperatura ambiente. Le bande di conduzione e di valenza dei WSM si incrociano in punti specifici nello spazio del momento, noti come nodi di Weyl, e la loro spaziatura a sua volta determina l'entità dell'effetto Hall anomalo intrinseco, un effetto osservato nei solidi con simmetria di inversione temporale rotta o conservazione dell'entropia. I nodi di Weyl appaiono come coppie non degenerate con chiralità opposta. Finora il lavoro sui WSM si è concentrato su sistemi che interagiscono debolmente con una crescente necessità di includere gli effetti di forti correlazioni elettroniche. L'effetto Kondo è un classico esempio di comportamento fortemente correlato originato dall'accoppiamento tra gli spin degli elettroni di conduzione e momenti magnetici locali. Questo lavoro suggerisce i WSM come una piattaforma fertile per studiare nuove fasi quantistiche grazie all'interazione tra Weyl e la fisica di Kondo.
Strutture di spin e diagramma di fase magnetico di Mn3Sn. In alto:strutture di spin di Mn (due strati di Mn3Sn lungo l'asse c). In basso:diagramma di fase magnetico di Mn3Sn. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1977 
Il team ha selezionato il metallo semimagnetico antiferromagnetico Weyl (WSM) Mn 3 Sn come materiale promettente per studiare i concetti. nel Mn 3 Sn struttura esagonale, gli atomi di Mn formavano un reticolo di Kagome 2-D (un modello intrecciato composto da triangoli intrecciati) con atomi di Sn seduti ai centri dell'esagono. Gli scienziati hanno utilizzato misurazioni della spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) per osservare le caratteristiche strutturali. Le eccezionali proprietà topologiche e spintroniche insieme a forti correlazioni hanno reso Mn 3 Sn una piattaforma ideale per studiare la fisica poliedrica tra topologia, magnetismo, forti correlazioni e spintronica antiferromagnetica emergente.
Khadka et al. sviluppato film epitassiali di alta qualità e osservato effetti Kondo in film con eccesso di Mn, che ha agito come drogante nel sistema dopo aver sostituito Sn. Quando hanno aumentato il doping di Mn, il sistema ha sviluppato la coerenza di Kondo e ha aperto un divario di ibridazione. il mn 3 Sn ha mostrato un effetto Hall fortemente anisotropo. Il team ha utilizzato il co-sputtering di bersagli di Mn e Sn per realizzare la crescita epitassiale e creare Mn 3+x Sn 1−x film. Utilizzando modelli di diffrazione dei raggi X (XRD) hanno notato l'assenza di picchi di impurità nel materiale e utilizzando la microscopia a forza atomica hanno notato che la rugosità superficiale è di circa 0,4 nanometri. Precedenti studi di ricerca avevano dimostrato la stabilità del Mn . esagonale 3 I film di Sn dopo che gli atomi di Mn in eccesso hanno sostituito gli atomi di Sn. Di conseguenza, il doping con Mn ha sintonizzato efficacemente la topologia della struttura a bande e gli effetti Hall in Mn 3+x Sn 1−x i film hanno permesso agli scienziati di esplorare correlazioni nuove e insolite per comprendere l'interazione tra Weyl e la fisica delle correlazioni su una piattaforma ideale.
Evoluzione dell'effetto Kondo e apertura del gap nei film Mn3+xSn1−x. Resistenza normalizzata in funzione della temperatura per vari x (A), per (B) x =0,27, (C) x =0,39, (D) x =0,44, e (E) x =0,55, rispettivamente. Riquadro di (E):ln(G − GT=5K) in funzione di 1/T, e l'adattamento lineare (linea rossa) fornisce un valore di gap di 10,2 meV. (F) Trasmissione di x =0,47 (rosso) e x =0,13 (viola) in funzione della frequenza. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1977 
Il team ha inoltre mostrato prove più forti per l'apertura del gap dei film utilizzando misurazioni di rotazione di Faraday in terahertz. Quando hanno drogato il semimetallo Weyl (WSM) con atomi magnetici di Mn, hanno notato una possibile transizione dall'effetto Kondo all'isolante Kondo; una nuova classe di materia topologica, dove gli effetti erano indipendenti dall'orientamento della crescita cristallina. Poiché la grande resistenza di Hall anomala spontanea (AHR) derivante dai nodi di Weyl precedentemente formava una caratteristica saliente di trasporto in massa di Mn 3 Sn, Khadka et al. allo stesso modo ha identificato la natura Weyl del film sottile usato qui con misurazioni di Hall. I calcoli della resistività di Hall totale hanno considerato la magnetizzazione, coefficiente di Hall ordinario e permeabilità magnetica per le risultanti resistenze di Hall insolite nei film.
Effetti Hall anomali e diagramma di fase di film Mn3+xSn1−x. (A) Resistività di Hall anomala ρ∗AHR in funzione della temperatura per diverse composizioni per film (112¯0). (B) Mappa di contorno colorata di ρ∗AHR nel piano T-x per film (112¯0). Asse y destro:−ρ∗AHR (T =300 K) in funzione di x. Riquadro di (B):diagrammi schematici di coni di Weyl con chiralità opposta e cono gappato. (C) Resistività di Hall anomala ρ∗AHR di (0001) film in funzione della temperatura per x =0,21 (cerchi pieni) e x =0,51 (quadrati aperti), rispettivamente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1977
Magnetoresistenza insolita
Khadka et al. ha quindi registrato la magnetoresistenza negativa (NMR) come un'altra importante caratteristica di trasporto nei semimetalli Weyl a causa dell'anomalia chirale del materiale. Ad esempio, quando hanno applicato un campo magnetico lungo la direzione della corrente, una corrente di carica chirale ha guidato da un nodo di Weyl alla sua controparte con chiralità opposta. La corrente chirale combinata ha migliorato la conduttività elettrica durante l'esperimento, dando origine alla magnetoresistenza negativa (NMR), una caratteristica che ha dimostrato le conseguenze del drogaggio degli atomi di Mn magnetici.
In questo modo, Durga Khadka e colleghi hanno sviluppato il semimetallo antiferromagnetico Weyl Mn 3+x Sn 1−x film sottili con una qualità del campione superiore. L'entusiasmante classe di materiali ha fornito una piattaforma per studiare l'interazione tra forti correlazioni elettroniche, topologia e magnetismo. Il team ha sostituito lo stagno (Sn) con il manganese magnetico (Mn) per realizzare un effetto Kondo che ha portato ad aprire un gap di ibridazione, accompagnato da una ridotta resistenza di Hall. Il lavoro costituisce la base per ulteriori studi su materiali correlati inclusa la localizzazione di elettroni drogando atomi con diversi elementi tra cui ferro, cobalto, rame o gadolinio. Il team può ottimizzare ulteriormente l'accoppiamento spin-orbita dei film sottili drogando elementi pesanti come il piombo (Pb).
Magnetoresistenza di (0001) film Mn3+xSn1−x. Variazione della resistenza [R(H) − R(H =0)] in funzione del campo per (A) x =0,16 e (B) x =0,51 a T =2 K (blu) e T =300 K (rosso) . Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abc1977
Poiché i materiali antiferromagnetici collineari convenzionali non mostrano effetti di resistenza di Hall anomali a causa delle loro proprietà di magnetizzazione evanescenti, non sono buoni candidati per la spintronica antiferromagnetica. In contrasto, le ricche texture spin collineari, e consistenti resistenze di Hall del Mn 3 La famiglia di composti Sn introdotta in questo lavoro ne fa un candidato promettente per tali applicazioni. Questi film sottili offriranno nuovi paradigmi per spingere il campo emergente della spintronica antiferromagnetica topologica a sviluppare nuovi dispositivi basati sullo spin.
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