Como tantos objetivos de la investigación científica, la clase de material al que se hace referencia como el imán de kagome ha demostrado ser una fuente tanto de frustración como de asombro. Revelar más las propiedades cuánticas del imán de kagome se considera uno de los principales desafíos de la física fundamental, tanto para los teóricos como para los experimentadores.

Una geometría subyacente inusual de la disposición atómica es fundamental para el valor de estos materiales. Las celosías de Kagome se describen como redes de intersección de "triángulos que comparten esquinas" y son apreciadas por el comportamiento único de los electrones transversales. terreno fértil para el estudio de los estados electrónicos cuánticos descritos como frustrados, correlacionados y topológicos.

Un estudio reciente de un grupo internacional de investigadores, publicado en la revista Naturaleza , descubrió que el ferromagnet Fe3Sn2 de kagome exhibe un estado electrónico que se acopla de manera inusualmente fuerte a un campo magnético aplicado que se puede rotar para apuntar en cualquier dirección de un espacio tridimensional, revelando en escala cuántica un cambio de energía electrónico impulsado por magnetización "gigante" que tiene lugar dentro del material.

Ese cambio de energía arroja nueva luz sobre la presencia de acoplamiento espín-órbita y texturas de espín topológico en las redes de kagome, donde las estructuras magnéticas y electrónicas se entrelazan y producen una actividad de órbita de espín inusual, a menudo desconocida anteriormente, dijo el profesor de Física del Boston College, Ziqiang Wang, un coautor del informe, titulado "Sintonización de órbita de espín gigante y anisotrópica en un imán de kagome fuertemente correlacionado".

"Descubrimos dos cosas. La primera es que el estado electrónico de Fe3Sn2 es nemático, un estado que rompe espontáneamente la simetría de rotación. Los electrones se comportan como un cristal líquido dentro de este imán, presumiblemente debido a la fuerte interacción electrón-electrón, ", dijo Wang." Lo segundo que encontramos es que se puede manipular y realizar grandes cambios en la estructura de energía de los electrones mediante el ajuste de la estructura magnética mediante la aplicación de un campo magnético ".

Wang, un físico teórico, y el estudiante de posgrado Kun Jiang, Doctor., que han estado estudiando nuevos estados electrónicos cuánticos resultantes de la interacción de la interacción electrón-electrón, frustración geométrica, y estructuras de bandas topológicas, se unió a colegas experimentales que notaron por primera vez la inusual actividad electrónica mientras estudiaban el material utilizando microscopía de túnel de barrido.

El equipo, que incluía investigadores de BC, Universidad de Princeton, Academia china de ciencias, Universidad Renmin, y la Universidad de Pekín:utilizaron STM y herramientas de campo magnético vectorial para identificar las propiedades electrónicas acopladas a la órbita de espín del ferromagnet de kagome y exploraron los fenómenos exóticos dentro de él. mientras realiza modelos y cálculos para proporcionar interpretación teórica y comprensión de los fenómenos observados.

"Lo que nuestros colegas encontraron es que al cambiar la dirección del campo magnético, vieron cambios en los estados electrónicos que son anormalmente grandes, ", dijo Wang." Los cambios de las bandas, hay espacios entre bandas, regiones prohibidas en la mecánica cuántica donde los electrones no pueden residir; esas regiones pueden sintonizarse enormemente con el campo magnético aplicado ".

El "cambio de banda" es un cambio en la estructura de la banda electrónica, dijo Wang. Se expande y estrecha la banda prohibida dependiendo de las direcciones del campo magnético. El ferromagnet de kagome mostró un desplazamiento aproximadamente 150 veces mayor que los materiales ordinarios.

El sondeo de los patrones de interferencia de las funciones de onda de la mecánica cuántica del electrón reveló una nematicidad espontánea constante, una indicación de una importante correlación electrónica que causa la rotura de la simetría de rotación del estado electrónico en el material.

Estas respuestas electrónicas gigantes impulsadas por espines indicaron la posibilidad de una fase topológica magnética correlacionada subyacente, informaron los investigadores. La sintonización del imán de kagome reveló una fuerte interacción entre un campo magnético aplicado externamente y la nematicidad, proporcionar nuevas formas de controlar las propiedades de la órbita de espín y explorar fenómenos emergentes en materiales topológicos o cuánticos, escribió el equipo.

La capacidad de sintonización del campo magnético gigante de las propiedades eléctricas puede conducir algún día a posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos como la memoria y el almacenamiento de información y tecnologías de detección. dijo Wang.

"Lo emocionante de estos resultados es el potencial de realizar algo útil, ", dijo Wang." Esto proviene de la física fundamental, pero puede que algún día se conecte a las aplicaciones. No entendemos todo pero ahora sabemos que este es un material que contiene todos estos importantes ingredientes ".