Квантовый магнит с топологическим поворотом

Исследователи исследовали материал, который имеет внутреннюю структуру, показанную в 3D на левой панели, которая состоит из треугольников и шестиугольников, расположенных по схеме, подобной японской корзине кагоме. Предоставлено: Хасан, эт. Аль, Принстонский университет

Считается, что магниты kagome, получившие свое название от замысловатой японской корзины, обладают электронными свойствами, которые могут быть полезны для будущих квантовых устройств и приложений. Теории предсказывают, что некоторые электроны в этих материалах имеют экзотическое, так называемое топологическое поведение, а другие ведут себя в некоторой степени подобно графену, другому материалу, ценящемуся за его потенциал для новых типов электроники.

Теперь международная команда во главе с исследователями из Принстонского университета заметила, что некоторые электроны в этих магнитах ведут себя коллективно, как почти бесконечно массивный электрон, который странно магнитный, а не как отдельные частицы. Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics на этой неделе.

Команда также показала, что помещение магнита Кагоме в сильное магнитное поле приводит к изменению направления движения магнетизма. Этот «отрицательный магнетизм» сродни наличию компаса, указывающего на юг вместо севера, или магнита на холодильник, который внезапно отказывается прилипать.

«Мы искали сверхмассивные« плоские »электроны, которые могут еще долго проводить электричество, и, наконец, мы их нашли», — сказал М. Захид Хасан, профессор физики в Университете Принстона Юджина Хиггинса, который привел команду. «В этой системе мы также обнаружили, что из-за эффекта внутренней квантовой фазы некоторые электроны выстраиваются в линию напротив магнитного поля, создавая отрицательный магнетизм».

Команда исследователей выяснила, как атомы, расположенные в виде кагоме в кристалле, порождают странные электронные свойства, которые могут иметь реальные преимущества, такие как сверхпроводимость, которая позволяет электричеству течь без потерь в виде тепла, или магнетизм, которым можно управлять на кванте. уровень для использования в будущей электронике.

Исследователи использовали современную сканирующую туннельную микроскопию и спектроскопию (STM / S), чтобы посмотреть на поведение электронов в кристалле с рисунком в кагоме, сделанном из кобальта и олова, зажатом между двумя слоями атомов серы, которые далее зажатый между двумя слоями олова.

В слое кагома атомы кобальта образуют треугольники вокруг шестиугольника с атомом олова в центре. Эта геометрия заставляет электроны находиться в некоторых неудобных положениях, что приводит к тому, что этот тип материала называют «разочарованным магнитом».

Чтобы исследовать поведение электронов в этой структуре, исследователи выбрали верхние слои, чтобы показать слой кагоме под ними.

Затем они использовали технику STM / S для определения энергетического профиля каждого электрона или зонной структуры . Зонная структура описывает диапазон энергий, которые электрон может иметь внутри кристалла, и объясняет, например, почему некоторые материалы проводят электричество, а другие — изоляторы. Исследователи обнаружили, что некоторые электроны в слое Кагоме имеют полосовую структуру, которая не изогнута, как в большинстве материалов, а плоская.

Квантовый магнит с топологическим поворотом
Хотя ожидается, что электроны в магните, указывающем на север, будут двигаться вверх при воздействии магнитного поля, направленного вверх, электроны кагоме фактически движутся вниз (левая панель). Приложение магнитного поля сдвигает энергетические уровни электронов (средняя панель). Энергетические сдвиги электронов кагоме показывают большой отрицательный магнитный момент (справа вверху). Орбитальное расположение электронов кагоме приводит к появлению геометрического квантового фазового фактора (справа вверху), известного как фаза Берри, который создает необычное магнитное состояние. Предоставлено: Хасан и др., Принстонский университет.

Плоская зонная структура указывает на то, что электроны имеют эффективную массу, которая настолько велика, что почти бесконечна. В таком состоянии частицы действуют коллективно, а не как отдельные частицы.

Теории давно предсказывали, что картина Кагоме создаст структуру с плоской зоной, но это исследование является первым экспериментальным обнаружением электрона с плоской зоной в такой системе.

Одно из следующих общих предсказаний заключается в том, что материал с плоской полосой может демонстрировать отрицательный магнетизм.

Действительно, в настоящем исследовании, когда исследователи применяли сильное магнитное поле, некоторые из электронов магнита Кагоме указывали в противоположном направлении.

«Независимо от того, применялось ли поле вверх или вниз, энергия электронов изменялась в одном и том же направлении, это было первое, что было странно с точки зрения экспериментов», — говорит Сонгтиан Соня Чжан, аспирант по физике и один из трех соавторов. -первых авторов на бумаге.

«Это озадачивало нас около трех месяцев», — сказал Цзя-Синь Инь, научный сотрудник и один из соавторов исследования. «Мы искали причину, и с нашими сотрудниками мы поняли, что это было первое экспериментальное доказательство того, что этот пик плоской полосы в решетке Кагоме имеет отрицательный магнитный момент».

Исследователи обнаружили, что отрицательный магнетизм возникает из-за связи между плоской полосой Кагоме, квантовым явлением, называемым спин-орбитальной связью , магнетизмом, и квантовым фактором, называемым полем кривизны Берри. Спин-орбитальная связь относится к ситуации, когда спин электрона, который сам является квантовым свойством электронов, становится связанным с орбитальным вращением электрона. Комбинация спин-орбитальной связи и магнитной природы материала приводит к тому, что все электроны ведут себя на шаге блокировки, как гигантская одиночная частица.

Другое интригующее поведение, которое возникает из-за тесно связанных спин-орбитальных взаимодействий, — это появление топологических поведений. Предметом Нобелевской премии по физике 2016 года, топологические материалы могут иметь электроны, которые текут без сопротивления на их поверхностях и являются активной областью исследований. Материал кобальт-олово-сера является примером топологической системы.

Двумерные узорчатые решетки могут иметь другие желательные типы электронной проводимости. Например, графен — это структура атомов углерода, которая за последние два десятилетия вызвала значительный интерес к его электронному применению. Зонная структура решетки Кагоме приводит к образованию электронов, которые ведут себя так же, как и в графене.

Цзя-Синь Инь, Сунтянь С. Чжан, Гоцин Чан, Ци Ван, Степан С. Циркин, Зураб Гугучия, Бяо Лиан, Хуйбинь Чжоу, Кун, исследование «Отрицательный магнетизм плоских полос в спин-орбитально-связанном коррелированном магните Кагоме» Цзян, Илья Белопольский, Нана Шумия, Даниэль Малтер, Максим Лицкевич, Тайлер А. Кокран, Синь Лин, Цзыцян Ван, Титус Нойперт, Шуан Цзя, Хечан Лей и М. Захид Хасан, были опубликованы в сети 18 февраля 2019 года в журнале Физика природы .

Источник информации: https://phys.org/news/2019-02-quantum-magnet-topological.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...