Los investigadores exploraron un material que tiene una estructura interna, se muestra en 3D en el panel izquierdo, que consta de triángulos y hexágonos dispuestos en un patrón similar al de una canasta kagome japonesa. Crédito:Hasan, et. Alabama, Universidad de Princeton
Tomando su nombre de un intrincado patrón de canasta japonés, Se cree que los imanes de kagome tienen propiedades electrónicas que podrían ser valiosas para futuros dispositivos y aplicaciones cuánticas. Las teorías predicen que algunos electrones en estos materiales tienen exóticos, los llamados comportamientos topológicos y otros se comportan como el grafeno, otro material apreciado por su potencial para nuevos tipos de electrónica.
Ahora, un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha observado que algunos de los electrones de estos imanes se comportan colectivamente, como un electrón de masa casi infinita que es extrañamente magnético, en lugar de como partículas individuales. El estudio fue publicado en la revista Física de la naturaleza esta semana.
El equipo también demostró que colocar el imán de kagome en un campo magnético alto hace que la dirección del magnetismo se invierta. Este "magnetismo negativo" es similar a tener una brújula que apunte al sur en lugar de al norte, o un imán de nevera que de repente se niega a pegarse.
"Hemos estado buscando electrones supermasivos de 'banda plana' que aún puedan conducir electricidad durante mucho tiempo, y finalmente los hemos encontrado, "dijo M. Zahid Hasan, el profesor de física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien lideró el equipo. "En este sistema, También encontramos que debido a un efecto de fase cuántica interna, algunos electrones se alinean frente al campo magnético, produciendo magnetismo negativo ".
El equipo exploró cómo los átomos dispuestos en un patrón kagome en un cristal dan lugar a extrañas propiedades electrónicas que pueden tener beneficios en el mundo real. como la superconductividad, que permite que la electricidad fluya sin pérdida en forma de calor, o magnetismo que se puede controlar a nivel cuántico para su uso en la electrónica del futuro.
Los investigadores utilizaron microscopía y espectroscopía de túnel de barrido (STM / S) de última generación para observar el comportamiento de los electrones en un cristal con patrón de kagome hecho de cobalto y estaño. intercalado entre dos capas de átomos de azufre, que se intercalan además entre dos capas de estaño.
En la capa de kagome, los átomos de cobalto forman triángulos alrededor de un hexágono con un átomo de estaño en el centro. Esta geometría fuerza a los electrones a ubicarse en posiciones incómodas, lo que lleva a este tipo de material a ser llamado "imán frustrado".
Para explorar el comportamiento de los electrones en esta estructura, los investigadores cortaron las capas superiores para revelar la capa de kagome debajo.
Luego utilizaron la técnica STM / S para detectar el perfil de energía de cada electrón, o estructura de banda. La estructura de la banda describe el rango de energías que un electrón puede tener dentro de un cristal, y explica, por ejemplo, por qué algunos materiales conducen electricidad y otros son aislantes. Los investigadores encontraron que algunos de los electrones en la capa de kagome tienen una estructura de banda que, en lugar de ser curvo como en la mayoría de los materiales, es plano.
Aunque se espera que los electrones en un imán que apunta al norte se muevan hacia arriba cuando se sometan a un campo magnético aplicado que apunta hacia arriba, los electrones kagome en realidad se mueven hacia abajo (panel izquierdo). La aplicación de un campo magnético cambia los niveles de energía de los electrones (panel central). Los cambios de energía de los electrones kagome muestran un gran momento magnético negativo (derecha, cima). Las disposiciones orbitales de los electrones kagome dan lugar a un factor de fase cuántica geométrica (derecha, cima), conocida como fase Berry, lo que crea un estado magnético inusual. Crédito:Hasan, et al., Universidad de Princeton
Una estructura de banda plana indica que los electrones tienen una masa efectiva que es tan grande que es casi infinita. En tal estado las partículas actúan colectivamente más que como partículas individuales.
Las teorías han predicho durante mucho tiempo que el patrón kagome crearía una estructura de banda plana, pero este estudio es la primera detección experimental de un electrón de banda plana en tal sistema.
Una de las predicciones generales que siguen es que un material con una banda plana puede exhibir magnetismo negativo.
En efecto, En el estudio actual, cuando los investigadores aplicaron un fuerte campo magnético, algunos de los electrones del imán de kagome apuntaban en la dirección opuesta.
"Si el campo se aplicó hacia arriba o hacia abajo, la energía de los electrones volteó en la misma dirección, eso fue lo primero que fue extraño en términos de los experimentos, "dijo Songtian Sonia Zhang, estudiante de posgrado en física y uno de los tres primeros coautores del artículo.
"Eso nos desconcertó durante unos tres meses, "dijo Jia-Xin Yin, un asociado de investigación postdoctoral y otro co-primer autor del estudio. "Estábamos buscando la razón, y con nuestros colaboradores nos dimos cuenta de que esta era la primera evidencia experimental de que este pico de banda plana en la red de kagome tiene un momento magnético negativo ".
Los investigadores encontraron que el magnetismo negativo surge debido a la relación entre la banda plana de kagome, un fenómeno cuántico llamado acoplamiento espín-órbita, magnetismo y un factor cuántico llamado campo de curvatura de Berry. El acoplamiento espín-órbita se refiere a una situación en la que el espín de un electrón, que en sí misma es una propiedad cuántica de los electrones, se vincula a la rotación orbital del electrón. La combinación del acoplamiento espín-orbital y la naturaleza magnética del material hace que todos los electrones se comporten en un paso de bloqueo, como una sola partícula gigante.
Otro comportamiento intrigante que surge de las interacciones espín-órbita estrechamente acopladas es la aparición de comportamientos topológicos. El tema del Premio Nobel de Física 2016, Los materiales topológicos pueden tener electrones que fluyen sin resistencia en sus superficies y son un área activa de investigación. El material de cobalto-estaño-azufre es un ejemplo de un sistema topológico.
Las celosías con patrones bidimensionales pueden tener otros tipos deseables de conductancia de electrones. Por ejemplo, el grafeno es un patrón de átomos de carbono que ha generado un interés considerable por sus aplicaciones electrónicas durante las últimas dos décadas. La estructura de bandas de la red de kagome da lugar a electrones que se comportan de manera similar a los del grafeno.
El estudio, "Magnetismo de banda plana negativo en un imán de kagome correlacionado acoplado a órbita de espín, "por Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilya Belopolski, Nana Shumiya, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Shuang Jia, Hechang Lei y M. Zahid Hasan, fue publicado en línea el 18 de febrero de 2019 en la revista Física de la naturaleza .
