Las fases exóticas de la materia conocidas como hielos de espín se definen por giros frustrados que obedecen a las "reglas del hielo" locales, similares a los dipolos eléctricos en el hielo de agua. Los físicos pueden definir reglas de hielo en dos dimensiones para giros en el plano similares a los de Ising dispuestos en una red de kagome. Las reglas del hielo pueden dar lugar a diversos órdenes y excitaciones. En un nuevo informe sobre Ciencias , Kan Zhao y un equipo de física experimental, cristalografía, y materiales e ingeniería en Alemania, y la República Checa utilizaron enfoques experimentales y teóricos, incluida la magnetometría, termodinámica, dispersión de neutrones y simulaciones de Monte Carlo para establecer el cristal HoAgGe como un sistema cristalino para realizar el exótico estado de hielo de espín de kagome. La configuración presentaba una variedad de estados parcial y totalmente ordenados, así como fases inducidas por el campo a bajas temperaturas consistentes con los requisitos experimentales de kagome.

La formación de fases exóticas de la materia puede causar frustraciones en los sistemas de espín. Por ejemplo, las restricciones locales en una molécula pueden conducir a un número macroscópico de estados fundamentales degenerados oa un estado fundamental extenso en entropía. En configuraciones bidimensionales, Las reglas del hielo requieren elaborados arreglos de giros en celosías kagome de forma triangular. Como consecuencia, los hielos de espín de kagome mostraron un comportamiento de ordenación en múltiples etapas bajo temperatura cambiante. Hasta ahora, los físicos solo habían realizado experimentalmente hielos de espín de kagome en sistemas de hielo de espín artificial formados por nanobarras de ferromagnetos organizados en redes de panal de abejas. En este trabajo. Zhao y col. utilizó múltiples enfoques experimentales y teóricos para demostrar el compuesto intermetálico HoAgGe como un hielo de espín kagome existente de forma natural con un estado fundamental completamente ordenado.

Luego, el equipo realizó mediciones de estructura y magnetometría de HoAgGe. Aunque las mediciones de difracción de neutrones realizadas en el pasado sugirieron estructuras magnéticas no colineales de HoAgGe, estos experimentos se basaron en muestras de polvo que eran insuficientes para determinar completamente la estructura magnética en presencia de frustración. Zhao y col. combinó la difracción de neutrones con mediciones termodinámicas en HoAgGe monocristalino para mostrar sus exóticas estructuras magnéticas dependientes de la temperatura y el campo magnético, en consonancia con la regla del hielo de kagome. Para determinar completamente las estructuras magnéticas a partir de la difracción de neutrones basadas en estructuras de espín no triviales de HoAgGe, Zhao y col. realizó experimentos de difracción de neutrones monocristalinos, hasta 1,8 K. Por debajo de una transición de alta temperatura a 11,6 K, el equipo observó un pico magnético.

Cuando refinaron los datos de neutrones a 4 K, el equipo observó una estructura magnética más detallada donde el estado fundamental completamente ordenado indicaba giros hexagonales alternados en sentido horario y antihorario. El estado fundamental √3 x √3 resultante representaba con precisión el hielo de espín de kagome clásico, como se predijo teóricamente. De acuerdo con la regla de hielo de Kagome, el acoplamiento ferromagnético dominante del vecino más cercano debe ocurrir entre espines coplanar con anisotropía uniaxial similar a Ising dependiente del sitio. En el presente trabajo, Zhao y col. anisotropía similar a Ising calculada y confirmada del campo eléctrico cristalino (CEF) para los cristales de HoAgGe.

Para confirmar aún más la autenticidad de HoAgGe como un spin ice de kagome, el equipo de investigación investigó si las reglas de hielo establecidas eran aplicables incluso fuera del estado fundamental completamente ordenado. Usando difracción de neutrones bajo campos magnéticos, mostraron que HoAgGe cumplía con estos requisitos y observaron un campo magnético creciente con cambios repentinos durante las transiciones metamagnéticas. Para mayor información, Zhao y col. refinó las estructuras magnéticas obtenidas de la dispersión de neutrones y señaló las transiciones magnéticas que resultan de la competencia entre el campo magnético externo y acoplamientos más débiles que no afectan la regla del hielo.

Después de establecer que la regla del hielo de kagome se aplicaba a los cristales de HoAgGe a baja temperatura, el equipo examinó los comportamientos termodinámicos del hielo de espín de kagome aislando la contribución magnética al calor específico deduciendo las contribuciones de los núcleos, vibraciones reticulares y electrones itinerantes del cristal. Para determinar hasta qué punto los espines Ho iónicos del cristal HoAgGe podrían verse aproximadamente como Ising, Zhao y col. A continuación se analizan los efectos del campo eléctrico cristalino (CEF). Para comprender directamente la división de CEF, llevaron a cabo experimentos de dispersión de neutrones inelásticos (INS) de cristales de HoAgGe utilizando el espectrómetro de tiempo de vuelo avanzado. Los resultados indicaron cuatro modos CEF de baja energía que mostraban anisotropía de tipo Ising.

Basado en la evidencia experimental, propusieron un modelo de espín clásico que contiene espines en plano similares a los de Ising en una red de kagome distorsionada en 2-D. Usando simulaciones de Monte Carlo del modelo de espín clásico en una celosía de 18 x 18, reprodujeron el estado fundamental y el estado parcialmente ordenado para capturar el modelo de espín clásico y las principales características del magnetismo HoAgGe a bajas temperaturas. El modelo desarrollado en el estudio difería de los casos de hielo kagome dipolares y de corto alcance en relación con los acoplamientos de intercambio y las interacciones dipolares de largo alcance. con investigaciones adicionales que requieren un estudio por separado.

De este modo, las simulaciones de Monte Carlo del modelo de espín clásico sólo coincidieron parcialmente con los experimentos. La discrepancia puede haber resultado de múltiples, niveles bajos de CEF del Ho ³⁺ iones. En HoAgGe, la metalicidad suprimió simultáneamente la división CEF de Ho ³⁺ iones para mejorar el acoplamiento de intercambio entre ellos, haciendo que las dos escalas de energía sean comparables a los niveles bajos de CEF. El modelo semiclásico resultante todavía se puede asignar a un modelo de Ising, explicando así la validez del experimento. En comparación con otros hielos de pirocloro, la naturaleza metálica de HoAgGe lo convirtió en un hielo kagome de alta temperatura y también puede conducir a más fenómenos exóticos, incluyendo interacciones entre corrientes eléctricas y monopolos magnéticos, así como efectos magnetoeléctricos metálicos.

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