Nei materiali solidi, il magnetismo ha generalmente origine dall'allineamento degli spin degli elettroni. Ad esempio, nel ferro ferromagnete, la magnetizzazione netta complessiva è determinata dall'allineamento degli spin nella stessa direzione.
Negli ultimi anni, fisici e scienziati dei materiali hanno identificato materiali in cui il magnetismo si manifesta in modo diverso, a causa di fattori topologici. Da allora molti studi sono stati mirati alla scoperta di nuovi materiali che esibiscono queste forme non convenzionali di magnetismo.
Ricercatori del Boston College, dell'Università della California Santa Barbara, dell'Università di Würzburg e di altri istituti hanno recentemente osservato il magnetismo di origine topologica in un metallo kagome a doppio strato, vale a dire TbV6 Sn6 . Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , ha scoperto un colossale effetto Zeeman orbitale potenziato dalla curvatura Spin Berry in TbV6 Sn6 .
"In alcuni nuovi materiali, il magnetismo può formarsi in altri modi, ad esempio dalla topologia delle bande elettroniche", ha detto a Phys.org Ilija Zeljkovic, coautrice dell'articolo.
"Alcuni stati elettronici possono acquisire una proprietà chiamata curvatura di Berry, che a sua volta può portare a momenti magnetici orbitali associati a particolari stati elettronici. È interessante notare che tali momenti magnetici orbitali possono essere enormi, molto più grandi di quelli di uno spin individuale."
L'obiettivo principale del recente studio di Zeljkovic e dei suoi colleghi era quello di sondare i momenti orbitali speciali riportati in lavori precedenti, in particolare nel materiale kagome TbV6 Sn6 . Inoltre, speravano di comprendere meglio come questi momenti rispondessero ai campi magnetici.
"È stato proposto che i materiali Kagome in generale li mostrino a causa della geometria del reticolo che può naturalmente dare origine a bande piatte topologiche senza dispersione e punti di Dirac, punti speciali in cui le bande che si disperdono linearmente si incrociano", ha detto Zeljkovic. "La curvatura di Berry e la curvatura di spin-Berry tendono ad essere sostanziali vicino ai punti di Dirac se il punto di Dirac è separato, il che porta a grandi momenti magnetici orbitali e facilita la loro osservazione."
I ricercatori hanno esaminato il loro TbV6 Sn6 campione utilizzando una tecnica nota come microscopia e spettroscopia a effetto tunnel (STM/S). Questa tecnica prevede l'utilizzo di una punta metallica affilata posizionata vicino alla superficie del campione (cioè entro pochi Angstrom) per misurare la corrente di tunneling in funzione della posizione della punta.
"La corrente tunneling contiene informazioni sulla densità elettronica degli stati (DOS), ovvero quanti stati elettronici abbiamo a disposizione per ogni data energia affinché gli elettroni possano occuparli", ha spiegato Zeljkovic. "Abbiamo eseguito la mappatura spettroscopica spaziale del DOS utilizzando STM per mappare gli stati elettronici in funzione dell'energia e della quantità di moto."
Zeljkovic e i suoi colleghi hanno successivamente ripetuto lo stesso esperimento concentrandosi sui campi magnetici, con l’obiettivo di scoprire l’evoluzione di questi stati elettronici nei campi magnetici. Questo secondo esperimento ha infine permesso loro di estrarre i momenti magnetici orbitali associati ai singoli stati elettronici.
"Abbiamo scoperto che i momenti magnetici orbitali vicino al punto di Dirac sono centinaia di volte più grandi di quelli del momento magnetico associato allo spin dell'elettrone", ha detto Zeljkovic. "Abbiamo anche visualizzato come gli stati elettronici degenerati con curvatura Spin Berry opposta si deformano nei campi magnetici in direzioni opposte, un fenomeno che chiamiamo scissione orbitale di Zeeman."
I ricercatori hanno osservato che la divisione della degenerazione della banda elettronica nel loro campione era sorprendentemente ampia e la sua dimensione era radicata nella grande curvatura di spin-Berry sottostante. I loro risultati sperimentali furono successivamente confermati da una serie di calcoli teorici.
Il recente lavoro di questo gruppo di ricercatori ha raccolto interessanti informazioni sugli stati magnetici non convenzionali di origine topologica. In futuro, le loro scoperte potrebbero ispirare ulteriori sforzi di ricerca che indagano altri grandi momenti magnetici orbitali guidati dalla curvatura di Berry, come quelli precedentemente osservati in alcune strutture a base di grafene.
"Nel materiale che abbiamo esaminato, grandi momenti magnetici orbitali sono associati a stati lontani dal livello di Fermi", ha aggiunto Zeljkovic. "Se si riesce a sintonizzare il materiale in modo tale che questi stati elettronici possano emergere vicino al livello di Fermi, ad esempio mediante deformazione o drogaggio chimico, questi momenti possono potenzialmente dare origine a un magnetismo orbitale che può essere rilevato anche da altre sonde sperimentali e potenzialmente utile per -applicazioni di linea nei dispositivi."
