Esta ilustración muestra el patrón característico tipo "estrella del sheriff" de la superficie de Fermi, o distribución de la energía y el momento de los electrones, para el metal FeSn de kagome, un compuesto de hierro y estaño en una proporción de 1 a 1. Crédito:Min Gu Kang
Desde 2016, un equipo de investigadores del MIT formado por estudiantes graduados Linda Ye y Min Gu Kang, profesor asociado de física Joseph G. Checkelsky, Riccardo Comin, profesor asistente de desarrollo profesional de la promoción de 1947, se ha centrado en explorar la estructura electrónica que surge cuando los átomos de hierro (Fe) y estaño (Sn) se combinan en patrones repetidos que parecen cestas de kagome japonesas. o la Estrella de David. El comportamiento electrónico de estas estructuras cristalinas "kagome" varía con la proporción de átomos de hierro a estaño, generalmente de tres a dos o de tres a uno.
El año pasado, los miembros del equipo del MIT y sus colegas informaron que Fe 3 Sn 2 , un compuesto con una proporción de tres a dos de hierro a estaño, genera fermiones de Dirac, un tipo especial de estado electrónico en el que el espín del electrón y la órbita del electrón están acoplados entre sí. Este estado especial de movimiento de electrones está protegido por la topología, o estructura geométrica, del cristal.
Los compuestos de hierro y estaño son de particular interés porque el magnetismo natural de los átomos de hierro afecta aún más su comportamiento electrónico. en particular, provocando que los espines de los electrones vecinos se alternen en direcciones opuestas (en sentido horario o antihorario), que se llama antiferromagnetismo. En un informe publicado el 9 de diciembre en Materiales de la naturaleza , Estos investigadores y 18 coautores en los Estados Unidos y en otros lugares encuentran que en un compuesto de hierro y estaño uno a uno, la simetría de la celosía de kagome es especial, albergando simultáneamente tanto partículas infinitamente ligeras sin masa (llamadas fermiones de Dirac) como partículas infinitamente pesadas (que se manifiestan experimentalmente como bandas planas en la estructura electrónica del material).
"Nuestro estudio combina varios campos de la física (topología, magnetismo, y electrones fuertemente correlacionados) en una sola plataforma de metales kagome ideales, "dice el co-primer autor Min Gu Kang, estudiante de posgrado en física. "Creemos que aprovechar el rico y único espectro electrónico de FeSn podría ser la base de nuevas fases topológicas y dispositivos espintrónicos".
Darse cuenta experimentalmente de esta estructura de banda electrónica especial fue especialmente difícil porque, en compuestos de kagome reales, la interferencia con una red "ideal" proviene de electrones que interactúan entre capas, electrones saltando a los átomos vecinos más cercanos, y los múltiples grados de libertad orbitales de cada electrón. Tan recientemente como 2014, La profesora Maria Roser Valenti de la Universidad Goethe de Frankfurt en Alemania escribió en Nature Communications que una estructura de banda de kagome ideal es "más una curiosidad numérica de un modelo simplificado que una característica accesible en materiales reales".
Un avance en el trabajo actual fue la síntesis del compuesto uno a uno FeSn. La estructura de este compuesto de hierro y estaño difiere de los compuestos kagome previamente estudiados, porque cada capa de hierro-estaño con estructura kagome está bien separada por una capa espaciadora que consta únicamente de átomos de estaño. En esta estructura, cada capa de kagome de hierro y estaño se comporta como una capa de kagome bidimensional dentro del cristal de kagome tridimensional, preparando el escenario para realizar una estructura de banda de kagome ideal.
Los investigadores confirmaron sus hallazgos sobre la estructura electrónica de uno a uno de hierro-estaño mediante la combinación de dos sondas de estructura electrónica complementarias:espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) y experimentos de oscilación cuántica de Haas-van Alphen. Los estudiantes de posgrado Kang y Abraham L. Levitan del grupo de Riccardo Comin llevaron a cabo los experimentos ARPES en Advanced Light Source en Berkeley, California, y la estudiante de posgrado Linda Ye en el grupo de Joe Checkelsky realizaron experimentos de oscilación cuántica de Haas-van Alphen en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee, Florida, y Los Alamos, Nuevo Mexico.
Sus experimentos ARPES dependientes de la polarización y la energía fotónica demuestran sin ambigüedades la aparición simultánea de fermiones de Dirac y bandas planas cerca de la energía de Fermi. dicen los investigadores. "Esto da cuenta de las estructuras electrónicas kagome tan buscadas, y plantea FeSn como el primer metal kagome 'ideal', "Dice Kang.
Debido a las capas contrastantes en uno a uno de hierro-estaño (capas de átomos de hierro y estaño estructuradas en un patrón de "tipo estrella de sheriff" o "kagome" alternando con capas de átomos de estaño solamente), los investigadores descubrieron otro aspecto único de este material. . Cuando se corta el material, la nueva superficie revelada se comporta de manera diferente si expone una capa de solo estaño o una capa de hierro y estaño. Esta estructura electrónica de superficie diferente fue confirmada por el haz de fotones microenfocado de la línea de luz MAESTRO en la fuente de luz avanzada. Esta combinación de comportamientos electrónicos bidimensionales y tridimensionales en un solo material podría aprovecharse para diseñar dispositivos espintrónicos de conmutación rápida / baja potencia, superconductores de giro, y un efecto Hall anómalo cuántico de alta temperatura, dicen los investigadores.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
