Hvordan ladning og magnetisme flettes sammen i kagome-materiale

Fysikere har oppdaget et materiale der atomer er ordnet på en måte som så frustrerer elektronenes bevegelse at de deltar i en kollektiv dans der deres elektroniske og magnetiske natur ser ut til å både konkurrere og samarbeide på uventede måter.

Ledet av fysikere fra Rice University ble forskningen publisert på nettet i dag i Natur. I eksperimenter ved Rice, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), University of Washington (UW), Princeton University og University of California, Berkeley, studerte forskere rent jern-germanium krystaller og oppdaget stående bølger av flytende elektroner dukket opp spontant i krystallene når de ble avkjølt til en kritisk lav temperatur. Interessant nok ladningstetthetsbølger oppsto mens materialet var i en magnetisk tilstandsom den hadde gått over til ved høyere temperatur.

“En avgift tetthet bølge oppstår vanligvis i materialer som ikke har noen magnetisme,” sa studie-med-tilsvarende forfatter Pengcheng Dai fra Rice. “Materialer som har både en ladningstetthetsbølge og magnetisme er faktisk sjeldne. Enda mer sjeldne er de der ladningstetthetsbølgen og magnetismen ‘snakker’ med hverandre, slik de ser ut til å gjøre i dette tilfellet.”

“Vanligvis oppstår ladningstetthetsbølgen samtidig med magnetisme eller ved en høyere temperatur enn den magnetiske overgangen,” sa han. “Dette spesielle tilfellet ser ut til å være spesielt, fordi ladningstetthetsbølgen faktisk oppstår ved en temperatur som er mye lavere enn magnetisme. Vi kjenner ikke til noe annet eksempel hvor dette faktisk skjer i et materiale som dette, som har en kagome gitter. Det antyder at det kan være relatert til magnetismen.”

Jern-germanium-krystallene som ble brukt i eksperimentene ble dyrket i Dais laboratorium og har et distinkt arrangement av atomer i deres krystallgitter som minner om mønstrene som finnes i japanske kagome-kurver. Likesidede trekanter i gitteret tvinger elektronene til å samhandle, og fordi de avskyr å være i nærheten av hverandre, frustrerer denne tvangen deres bevegelser. Kraften øker når temperaturen synker, noe som gir opphav til kollektiv atferd som ladningstetthetsbølgen.

Studie medkorresponderende forfatter Ming Yi, også fra Rice, sier at “ladningstetthetsbølgen er som bølger som dannes på overflaten av havet. Den dannes bare når forholdene er riktige. I dette tilfellet observerte vi det når en unik funksjon i form av en sal dukket opp i kvantetilstandene som elektronene får leve i. Sammenhengen med magnetisk orden er at denne ladningstetthetsbølgen bare oppstår når magnetismen får salen til å dukke opp. Det er vår hypotese.”

Eksperimentene gir et fristende glimt av egenskapene fysikere vil finne i kvantematerialer som har både topologiske egenskaper og de som oppstår fra sterkt korrelerte elektroninteraksjoner.

I topologiske materialer produserer mønstre av kvanteforviklinger “beskyttede” tilstander som ikke kan slettes. Den uforanderlige naturen til topologiske tilstander er av økende interesse for kvanteberegning og spintronikk. De tidligste topologiske materialene var ikke-ledende isolatorer hvis beskyttede tilstander tillot dem å lede elektrisitet på begrensede måter, som på 2D ytre overflater eller langs 1D-kanter.

“I fortiden, topologiske materialer var typer som var veldig svakt korrelert,” sa Yi, en assisterende professor i fysikk og astronomi ved Rice. “Folk brukte disse materialene for å virkelig forstå topologien til kvantematerialermen utfordringen nå er å finne materialer der vi kan dra nytte av både topologiske tilstander og sterke elektronkorrelasjoner.”

I sterkt korrelerte materialer gir interaksjonene til milliarder på milliarder av elektroner opphav til kollektiv atferd som ukonvensjonell superledning eller de kontinuerlige svingningene mellom magnetiske tilstander i kvantespinnvæsker.

“For svakt korrelerte materialer som de originale topologiske isolatorene fungerer første prinsippberegninger veldig bra,” sa Yi. “Bare basert på hvordan atomene er ordnet, kan du beregne hva slags båndstruktur du kan forvente. Det er en veldig god vei fra et materialdesignperspektiv. Du kan til og med forutsi topologien til materialene.”

“Men sterkt korrelerte materialer er mer utfordrende,” sa hun. “Det er en mangel på sammenheng mellom teori og måling. Så, ikke bare er det vanskelig å finne materialer som er både sterkt korrelerte og topologiske, men når du finner dem og måler dem er det også veldig vanskelig å koble det du måler med en teoretisk modell som forklarer hva som skjer.”

Yi og Dai sa at kagome-gittermaterialer kunne gi en vei fremover.

“På et tidspunkt vil du kunne si,” Jeg vil lage et materiale med spesiell oppførsel og egenskaper,” sa Yi. “Jeg tror kagome er en god plattform i den retningen, fordi det er måter å lage direkte spådommer, basert på krystallstrukturen, om hva slags båndstruktur du vil få og derfor om fenomenene som kan oppstå basert på den båndstrukturen. Den har mange av de riktige ingrediensene.”

---

---