Weyl semimetal con simetría de inversión de tiempo rota. Las esferas roja y azul representan un par de puntos Weyl con quiralidad opuesta, que son generados por el momento magnético intrínseco. La curva amarilla es el arco de Fermi terminado en este par de puntos de Weyl. Los momentos magnéticos se describen esquemáticamente por el campo magnético. Crédito:MPI CPfS
La topología es un aspecto global de los materiales, conduciendo a nuevas propiedades fundamentales para compuestos con grandes efectos relativistas. La incorporación de elementos pesados da lugar a fases topológicas no triviales de la materia, como aislantes topológicos, Semicimetales de Dirac y Weyl. Los semimetales se caracterizan por puntos de contacto de banda con dispersión lineal, similar a las partículas relativistas sin masa en la física de altas energías.
La interacción de la simetría, efectos relativistas y, en materiales magnéticos, la estructura magnética, permite la realización de una amplia variedad de fases topológicas a través del diseño de curvatura Berry. La curvatura de Berry describe el entrelazamiento de las bandas de valencia y conducción en una estructura de bandas de energía. Los puntos de Weyl y otras bandas electrónicas topológicas pueden ser manipuladas por diversas perturbaciones externas como campos magnéticos y presión, lo que da como resultado propiedades locales exóticas como la anomalía quiral o gravitacional y grandes efectos de Hall topológicos, conceptos que se desarrollaron en otros campos de la física como la física de altas energías y la astrofísica.
Los semimetales de Weyl requieren una simetría de cristal de inversión rota o una simetría de inversión en el tiempo (a través de un orden magnético o un campo magnético aplicado). Hasta aquí, no se han realizado semimetales de Weyl magnéticos intrínsecos con nodos de Weyl cercanos a la energía de Fermi. En el estudio reciente, científicos del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde, en colaboración con la Technische Universität Dresden, científicos de Beijing, Princeton, Oxford, y otros encontraron evidencia de la física de Weyl en las shanditas magnéticas Co 3 Sn 2 S 2 . La familia de cristales de shandita contiene metales de transición en una red de Kagome cuasi bidimensional que puede dar lugar al magnetismo. Uno de los más interesantes es Co 3 Sn 2 S 2 , que tiene la temperatura de ordenación magnética más alta dentro de esta familia y en la que los momentos magnéticos en los átomos de Co están alineados en una dirección perpendicular al plano de Kagome.
La observación del efecto Hall anómalo cuántico a temperatura ambiente permitiría nuevas tecnologías de computación, incluida la computación cuántica. Para darse cuenta de esta posibilidad, nuestra estrategia es (i) buscar materiales magnéticos cuasi bidimensionales con estructuras de bandas topológicas y (ii) sintetizar estos materiales como monocapas o películas muy delgadas. Sin embargo, hasta ahora no se conocen materiales magnéticos, lo que podría conducir a un efecto Hall anómalo cuántico de temperatura más alta. Para obtener ángulos Hall grandes, a saber, la relación de la sala a las conductividades eléctricas, Deben cumplirse dos condiciones:en primer lugar, una gran conductividad Hall y, en segundo lugar, un pequeño número de portadores. Estas condiciones se cumplen en los semimetales de Weyl donde los nodos de Weyl tienen una energía cercana a la energía de Fermi.
Hemos encontrado que Co 3 Sn 2 S 2 muestra un efecto Hall anómalo gigante y un ángulo de pasillo gigante a temperaturas de hasta 150 K, sugerente de un semimetal de Weyl. Los cálculos posteriores de la estructura de bandas muestran de hecho la presencia de nodos de Weyl cerca de la energía de Fermi. Es más, Las mediciones de magnetotransporte dan evidencia de una anomalía quiral que es una clara firma de un semimetal de Weyl. Nuestro trabajo proporciona un camino claro para la observación de un efecto hall anómalo cuántico a temperatura ambiente mediante la exploración de familias de semimetales de Weyl magnéticos.
Este estudio, por primera vez, se da cuenta de los efectos Hall anómalos gigantes mediante el uso de un semimetal magnético Weyl, que establece el candidato semimetal magnético Weyl Co 3 Sn 2 S 2 como una clase clave de materiales para la investigación fundamental y aplicaciones que conectan la física topológica y la espintrónica. Con un ferromagnetismo fuera del plano de largo alcance en el modelo de celosía de Kagomé para la plataforma de estados topológicos cuánticos, Además, esperamos que este material sea un excelente candidato para la observación del estado de Hall anómalo cuántico en el límite bidimensional.
