I fisici hanno scoperto un materiale in cui gli atomi sono disposti in modo tale da frustrare il movimento degli elettroni che si impegnano in una danza collettiva in cui la loro natura elettronica e magnetica sembra competere e cooperare in modi inaspettati.

Guidata dai fisici della Rice University, la ricerca è stata pubblicata online oggi su Nature . Negli esperimenti presso la Rice, l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL), lo SLAC National Accelerator Laboratory, il Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), l'Università di Washington (UW), l'Università di Princeton e l'Università della California, Berkeley, i ricercatori hanno studiato ferro-germanio puro cristalli e onde stazionarie scoperte di elettroni fluidi sono apparse spontaneamente all'interno dei cristalli quando sono stati raffreddati a una temperatura estremamente bassa. Curiosamente, le onde di densità di carica si sono formate mentre il materiale era in uno stato magnetico, a cui era passato a una temperatura più alta.

"Un'onda di densità di carica si verifica in genere nei materiali che non hanno magnetismo", ha detto l'autore dello studio Pengcheng Dai di Rice. "I materiali che hanno sia un'onda di densità di carica che un magnetismo sono in realtà rari. Ancora più rari sono quelli in cui l'onda di densità di carica e il magnetismo 'parlano' tra loro, come sembra che stiano facendo in questo caso."

"Di solito, l'onda di densità di carica si verifica in concomitanza con il magnetismo o a una temperatura più alta rispetto alla transizione magnetica", ha detto. "Questo caso particolare sembra essere speciale, perché l'onda di densità di carica si verifica effettivamente a una temperatura molto inferiore al magnetismo. Non conosciamo nessun altro esempio in cui ciò avvenga effettivamente in un materiale come questo, che presenta un reticolo kagome. Quello suggerisce che potrebbe essere correlato al magnetismo."

I cristalli di ferro-germanio utilizzati negli esperimenti sono stati coltivati ​​nel laboratorio di Dai e presentano una disposizione distinta degli atomi nel loro reticolo cristallino che ricorda i modelli trovati nei cesti di kagome giapponesi. I triangoli equilateri nel reticolo costringono gli elettroni a interagire e, poiché detestano essere vicini l'uno all'altro, questa forzatura frustra i loro movimenti. La forzatura aumenta al diminuire delle temperature, dando origine a comportamenti collettivi come l'onda di densità di carica.

L'autore corrispondente allo studio Ming Yi, anche lui di Rice, afferma che "l'onda di densità di carica è come le onde che si formano sulla superficie dell'oceano. Si forma solo quando le condizioni sono giuste. In questo caso, l'abbiamo osservata quando una caratteristica unica a forma di sella è apparso negli stati quantistici in cui gli elettroni possono vivere. La connessione con l'ordine magnetico è che questa onda di densità di carica si verifica solo quando il magnetismo fa apparire la sella. Questa è la nostra ipotesi."

Gli esperimenti offrono uno sguardo allettante sulle proprietà che i fisici troveranno nei materiali quantistici che hanno sia caratteristiche topologiche che quelle derivanti da interazioni elettroniche fortemente correlate.

Nei materiali topologici, i modelli di entanglement quantistico producono stati "protetti" che non possono essere cancellati. La natura immutabile degli stati topologici è di crescente interesse per l'informatica quantistica e la spintronica. I primi materiali topologici erano isolanti non conduttivi i cui stati protetti consentivano loro di condurre l'elettricità in modi limitati, come su superfici esterne 2D o lungo bordi 1D.

"In passato, i materiali topologici erano tipi molto debolmente correlati", ha affermato Yi, un assistente professore di fisica e astronomia alla Rice. "Le persone hanno utilizzato quei materiali per comprendere davvero la topologia dei materiali quantistici, ma la sfida ora è trovare materiali in cui possiamo trarre vantaggio sia dagli stati topologici che dalle forti correlazioni elettroniche."

Nei materiali fortemente correlati, le interazioni di miliardi e miliardi di elettroni danno origine a comportamenti collettivi come la superconduttività non convenzionale o le continue fluttuazioni tra stati magnetici nei liquidi di spin quantistico.

"Per i materiali debolmente correlati come gli isolanti topologici originali, i calcoli del primo principio funzionano davvero bene", ha affermato Yi. "Solo basandoti su come sono disposti gli atomi, puoi calcolare che tipo di struttura a bande aspettarti. C'è un percorso davvero buono dal punto di vista della progettazione dei materiali. Puoi persino prevedere la topologia dei materiali."

"Ma i materiali fortemente correlati sono più impegnativi", ha affermato. "C'è una mancanza di connessione tra teoria e misurazione. Quindi, non solo è difficile trovare materiali che siano sia fortemente correlati che topologici, ma quando li trovi e li misuri è anche molto difficile collegare ciò che stai misurando con un modello teorico che spiega cosa sta succedendo."

Yi e Dai hanno affermato che i materiali reticolari kagome potrebbero fornire un percorso in avanti.

"Ad un certo punto, vuoi essere in grado di dire:'Voglio creare un materiale con comportamenti e proprietà particolari", ha detto Yi. "Penso che kagome sia una buona piattaforma verso quella direzione, perché ci sono modi per fare previsioni dirette, basate sulla struttura cristallina, sul tipo di struttura a bande che otterrai e quindi sui fenomeni che possono sorgere sulla base di quella struttura a bande. Ha molti degli ingredienti giusti". + Esplora ulteriormente

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