Schema dell'evoluzione della banda di Dirac in campo amagnetico. I coni blu (maglia grigia) raffigurano il massiccio fermione di Dirac a un campo magnetico esterno diverso da zero (zero). Credito:Fisica della natura .
Lavorando con un materiale quantistico noto come magnete kagome, un team di fisici e colleghi del Boston College ha misurato direttamente come i singoli stati quantistici elettronici nel nuovo materiale rispondono ai campi magnetici esterni spostando l'energia in modo insolito, riferiscono i ricercatori nell'ultimo edizione online della rivista Nature Physics .
Le misurazioni generate dal progetto sono le prime nel loro genere a misurare direttamente l'evoluzione indotta dal campo e risolta dalla quantità di moto di questi stati quantistici, secondo il team, che ha collaborato con gli scienziati della Renmin University di Pechino, in Cina.
I risultati hanno offerto la prima dimostrazione sperimentale di previsioni teoriche su come la struttura della banda elettronica può cambiare in questi nuovi materiali, in questo caso cristalli singoli sfusi di stagno di ittrio manganese YMn6 Sn6 , secondo Ilija Zeljkovic, professore associato di fisica del Boston College, coautore principale del rapporto.
"Quando un campo magnetico viene applicato a un materiale, la struttura a bande elettroniche, che è una raccolta di stati quantistici che possono occupare gli elettroni nei solidi, può cambiare in modi insoliti", ha detto Zeljkovic. "Finora questi cambiamenti sono stati dedotti da calcoli teorici o accessibili indirettamente da cambiamenti indotti dal campo nelle proprietà misurabili macroscopiche. La misurazione diretta dei cambiamenti indotti dal campo alla struttura della banda elettronica è stata difficile da misurare".
Il team ha superato le sfide sperimentali dello studio del materiale attraverso la microscopia a tunneling a scansione di immagini spettroscopiche. Magneti Kagome, come YMn6 Sn6 studiati dal team, sono così chiamati perché possiedono una struttura magnetica e un reticolo atomico che ricorda i cesti intrecciati "kagome" giapponesi.
I magneti Kagome ospitano i cosiddetti fermioni di Dirac, che Zeljkovic ha spiegato sono quasiparticelle caratterizzate da massa zero e una dispersione lineare dell'energia-momento nella struttura a bande elettroniche che ricorda le particelle relativistiche.
Fisici teorici come il collega e coautore di Zeljkovic, il professore di fisica del Boston College Ziqiang Wang, hanno dimostrato matematicamente che i fermioni di Dirac possono evolversi, dal punto di vista dell'energia e della quantità di moto, in risposta a un campo magnetico. Il team ha deciso di testare quelle previsioni, ha detto Zeljkovic.
Il team ha scoperto che gli stati quantistici associati ai fermioni di Dirac rispondono fortemente al campo magnetico, passando a energie più elevate indipendentemente dalla direzione del campo, secondo Nature Physics rapporto, intitolato "Manipolazione della curvatura della banda di Dirac e del fattore g dipendente dalla quantità di moto in un magnete kagome".
"È interessante notare che mostrano uno spostamento dipendente dalla quantità di moto:per un campo magnetico impostato, gli stati quantistici vicino al punto di Dirac si spostano maggiormente; lo spostamento diventa progressivamente più piccolo allontanandosi dal punto di Dirac", ha detto Zeljkovic. Il punto di Dirac è un punto nello spazio energia-impulso in cui le bande di conduzione e di valenza si toccano.
Zeljkovic ha affermato che l'aspettativa era che il sistema senza campo magnetico avrebbe ospitato fermioni di Dirac privi di massa o zero in base all'orientamento degli spin che giacciono principalmente nel piano. Invece, il team ha fatto la sorprendente osservazione che i fermioni di Dirac in questo materiale a campo zero hanno massa finita. Perché ciò sia accaduto sarà una domanda che i teorici potranno approfondire.
Da un punto di vista sperimentale, Zeljkovic ha affermato che ci sono molte altre domande da risolvere sulla base di questi risultati. In particolare, ci sono molteplici effetti concorrenti che possono portare a un'evoluzione della banda dipendente dalla quantità di moto, che coinvolge lo spin degli elettroni e i gradi di libertà orbitali.
Il magnetismo orbitale in particolare, una proprietà che ha recentemente generato attenzione ed eccitazione tra i ricercatori che studiano le strutture "contorte" di van der Waals, è una delle possibilità estremamente eccitanti, ha detto Zeljkovic.
"I nostri esperimenti futuri si concentreranno sul districare diversi contributi e sull'esame del magnetismo orbitale in questo e nei relativi magneti kagome", ha aggiunto Zeljkovic. + Esplora ulteriormente
