Un gruppo di ricerca guidato dall'Istituto Paul Scherrer ha osservato spettroscopicamente la frazionamento della carica elettronica in un ferromagnete metallico a base di ferro. L’osservazione sperimentale del fenomeno non è solo di fondamentale importanza. Poiché appare in una lega di metalli comuni a temperature accessibili, ha un potenziale per il futuro sfruttamento nei dispositivi elettronici. La scoperta è pubblicata sulla rivista Nature .
La meccanica quantistica di base ci dice che l’unità fondamentale della carica è indistruttibile:la carica dell’elettrone è quantizzata. Tuttavia, siamo arrivati a capire che esistono delle eccezioni. In alcune situazioni, gli elettroni si dispongono collettivamente come se fossero divisi in entità indipendenti, ciascuna dotata di una frazione della carica.
Il fatto che la carica possa essere frazionata non è una novità:è stato osservato sperimentalmente fin dai primi anni ’80 con l’effetto Hall quantistico frazionario. In questo, si osserva che la conduttanza di un sistema in cui gli elettroni sono confinati su un piano bidimensionale è quantizzata in unità di carica frazionarie anziché intere.
L'effetto Hall fornisce una misura indiretta del frazionamento della carica attraverso una manifestazione macroscopica del fenomeno:la tensione. In quanto tale, non rivela il comportamento microscopico – la dinamica – delle cariche frazionarie. Il gruppo di ricerca, una collaborazione tra istituzioni svizzere e cinesi, ha ora rivelato tali dinamiche tramite la spettroscopia degli elettroni emessi da un ferromagnete quando illuminato da un laser.
Per frazionare le cariche, è necessario portare gli elettroni in un posto strano dove smettono di seguire le normali regole. Nei metalli convenzionali, gli elettroni tipicamente si muovono attraverso il materiale, generalmente ignorandosi a vicenda, a parte qualche urto occasionale. Possiedono una gamma di energie diverse. I livelli energetici in cui si trovano sono descritti come "bande dispersive", dove l'energia cinetica degli elettroni dipende dalla loro quantità di moto.
In alcuni materiali, determinate condizioni estreme possono spingere gli elettroni a iniziare a interagire e a comportarsi collettivamente. Le bande piatte sono regioni nella struttura elettronica di un materiale in cui gli elettroni si trovano tutti nello stesso stato energetico, cioè dove hanno masse efficaci quasi infinite. Qui gli elettroni sono troppo pesanti per sfuggire l'uno all'altro e regnano forti interazioni tra gli elettroni.
Le bande piatte rare e ricercate possono portare a fenomeni che includono forme esotiche di magnetismo o fasi topologiche come gli stati Hall quantistici frazionari.
Per osservare l'effetto Hall quantistico frazionario, vengono applicati forti campi magnetici e temperature molto basse, che sopprimono l'energia cinetica degli elettroni e promuovono forti interazioni e comportamenti collettivi.
Il gruppo di ricerca potrebbe ottenere questo risultato in un modo diverso, senza l’applicazione di un forte campo magnetico:creando una struttura reticolare che riduca le energie cinetiche degli elettroni e consenta loro di interagire. Un tale reticolo è il "kagome" di bambù intrecciato giapponese, che caratterizza gli strati atomici in un numero sorprendentemente elevato di composti chimici.
Hanno fatto la loro scoperta a Fe3 Sn2 , un composto costituito solo dagli elementi comuni ferro (Fe) e stagno (Sn) assemblati secondo lo schema kagome di triangoli con angoli in comune.
I ricercatori non si proponevano di osservare la frazionamento della carica nel kagome Fe3 Sn2 . Erano invece semplicemente interessati a verificare se esistessero le bande piatte come previsto per questo materiale ferromagnetico.
Utilizzando la spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo laser (ARPES laser) presso l'Università di Ginevra con un diametro del fascio molto piccolo, hanno potuto sondare la struttura elettronica locale del materiale con una risoluzione senza precedenti.
"La struttura a bande in kagome Fe3 Sn2 è diverso a seconda del dominio ferromagnetico che stai sondando. Eravamo interessati a vedere se, utilizzando il raggio microfocalizzato, potevamo rilevare disomogeneità nella struttura elettronica correlata a domini che erano stati precedentemente persi", afferma Sandy Ekahana, ricercatore post-dottorato nel gruppo di tecnologia quantistica del PSI e primo autore dello studio. lo studio.
Concentrandosi su alcuni domini cristallini, il team ha identificato una caratteristica nota come tasche elettroniche. Si tratta di regioni nello spazio della quantità di moto della struttura a bande elettroniche di un materiale in cui l'energia degli elettroni è al minimo, formando di fatto sacche in cui gli elettroni "si trovano". Qui gli elettroni si comportano come eccitazioni collettive o quasiparticelle.
Esaminandoli da vicino, i ricercatori hanno rilevato strane caratteristiche nella struttura delle bande elettroniche che non erano completamente spiegate dalla teoria. Le misurazioni ARPES del laser hanno rivelato una banda dispersiva, che non corrispondeva ai calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT), uno dei metodi più consolidati per studiare le interazioni e i comportamenti degli elettroni nei materiali.
"Spesso accade che la DFT non corrisponda del tutto. Ma solo da un punto di vista sperimentale, questa banda era estremamente peculiare. Era estremamente nitida, ma poi si interrompeva improvvisamente. Questo non è normale:di solito, le bande sono continue ," spiega Yona Soh, scienziato del PSI e autore corrispondente dello studio.
I ricercatori si sono resi conto che stavano osservando una banda dispersiva che interagiva con una banda piatta, prevista dai colleghi dell'EPFL. L'osservazione di una banda piatta che interagisce con una banda dispersiva è di per sé di profondo interesse:si ritiene che l'interazione tra bande piatte e dispersive permetta l'emergere di nuove fasi della materia, come i metalli "marginali" dove gli elettroni non viaggiano molto più lontano di quanto la loro lunghezza d'onda quantistica e i peculiari superconduttori.
"Si è discusso molto a livello teorico sull'interazione tra bande piatte e dispersive, ma questa è la prima volta che una nuova banda causata da questa interazione viene scoperta spettroscopicamente", afferma Soh.
Le conseguenze di questa osservazione sono ancora più profonde. Quando le due band si incontrano, si ibridano per formare una nuova band. La banda dispersiva originaria è occupata. La banda piatta non è occupata poiché si trova al di sopra del livello di Fermi, un concetto che descrive il limite tra i livelli energetici occupati e non occupati. Quando viene creata la nuova banda, la carica viene suddivisa tra la banda dispersiva originale e la nuova banda. Ciò significa che ogni banda contiene solo una frazione della carica.
In questo modo, le misurazioni di Ekahana e colleghi forniscono un'osservazione spettroscopica diretta della frazionamento della carica.
"Raggiungere e osservare stati in cui la carica è frazionata è entusiasmante non solo dal punto di vista della ricerca fondamentale", afferma Gabriel Aeppli, capo della divisione di scienza dei fotoni al PSI e professore all'EPFL e all'ETH di Zurigo, che ha proposto lo studio. "Lo osserviamo in una lega di metalli comuni a temperature basse ma ancora relativamente accessibili. Ciò rende utile considerare se esistono dispositivi elettronici che potrebbero sfruttare la frazionamento."
Ulteriori informazioni: Yona Soh, Elettroni anomali in un ferromagnete metallico kagome, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07085-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07085-w
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Istituto Paul Scherrer
