Orden antiferromagnético (arriba) y antiferromagnético inclinado (abajo). En el último caso, los giros se inclinan con respecto al eje c fácil, conduciendo a una contribución ferromagnética en el plano ortogonal a ese eje (representado por flechas verdes). Crédito:ETH Zurich / D-PHYS
Los materiales que combinan propiedades electrónicas topológicas y magnetismo cuántico son de gran interés para la física cuántica de muchos cuerpos que exhiben y para posibles aplicaciones en componentes electrónicos. Los físicos de ETH ahora han establecido el mecanismo microscópico que une el magnetismo y la topología de banda electrónica para uno de esos materiales.
La materia de Dirac es una clase intrigante de materiales con propiedades interesantes:los electrones de estos materiales se comportan como si no tuvieran masa. El material de Dirac más destacado es el grafeno, pero se han descubierto otros en los últimos 15 años. Cada uno sirve como un rico patio de recreo para explorar comportamientos electrónicos exóticos, algunos de los cuales podrían habilitar componentes novedosos para la electrónica.
Sin embargo, Hay muy pocos ejemplos en los que la topología de las bandas electrónicas esté conectada de manera bien definida a las propiedades magnéticas de los materiales. Un material en el que se ha observado tal interacción entre los estados electrónicos topológicos y el magnetismo es CaMnBi 2 , pero el mecanismo que conecta a los dos sigue sin estar claro. Escribiendo en Cartas de revisión física , postdoctorado Run Yang y Ph.D. estudiante Matteo Corasaniti del grupo de Espectroscopía Óptica del Prof.Leonardo Degiorgi en el Laboratorio de Física del Estado Sólido de ETH Zurich, trabajando con colegas del Laboratorio Nacional Brookhaven (EE. UU.) y la Academia de Ciencias de China en Beijing, ahora informan un estudio completo que proporciona evidencia clara de que un ligero empujón en los momentos magnéticos, conocido como giro inclinado, provoca cambios sustanciales en la estructura de la banda electrónica.
CaMnBi 2 y el compuesto relacionado SrMnBi 2 muestran magnetismo cuántico (los iones de manganeso están ordenados antiferromagnéticamente a aproximadamente la temperatura ambiente y por debajo) y, al mismo tiempo, albergan electrones de Dirac. Se sospecha que existe una interacción entre las dos propiedades, como a ~ 50 K, Aparece un "golpe" inesperado en las propiedades de conducción de estos materiales. Pero la naturaleza precisa de esta anomalía no se entendía bien hasta ahora.
En un trabajo anterior que estudió las propiedades ópticas, Corasaniti, Yang y sus colaboradores ya habían establecido un vínculo con las propiedades electrónicas del material. Explotaron el hecho de que la anomalía en forma de protuberancia en las propiedades de transporte se puede cambiar de temperatura reemplazando algunos de los átomos de calcio con sodio. Para determinar los orígenes microscópicos del comportamiento observado, estudiaron muestras con diferentes dopaciones de sodio mediante magnetometría de torque. En esta técnica, el par en una muestra magnética se mide cuando se expone a un campo suficientemente fuerte, análogo a la aguja de una brújula que se alinea con el campo magnético de la Tierra. Este enfoque señaló al equipo los orígenes de la anomalía.
Un vínculo firme entre las propiedades magnéticas y electrónicas.
En sus experimentos de torque magnético, los investigadores encontraron que a temperaturas donde no se observa ninguna anomalía en las mediciones de transporte electrónico, el comportamiento magnético se asemeja a un antiferromaimán. Sin embargo, a temperaturas a las que se manifiesta la anomalía, apareció un componente ferromagnético, lo cual puede explicarse por una proyección de momentos magnéticos en el plano ortogonal al eje c de giro fácil del orden antiferromagnético original (ver figura). Este fenómeno se conoce como inclinación del giro, inducida por un mecanismo llamado superintercambio.
Estos dos conjuntos de experimentos, las mediciones ópticas y de par, fueron respaldados por cálculos dedicados de primeros principios. En particular, para el caso en el que se incluyó el peralte de giro en los cálculos, Se descubrió que una hibridación peculiar entre los átomos de manganeso y bismuto medía el acoplamiento magnético entre capas y controla las propiedades electrónicas del material. Tomados en conjunto, el estudio establece un vínculo directo entre las propiedades magnéticas y los cambios en la estructura de la banda electrónica, reflejada en la anomalía de la protuberancia de las propiedades de transporte.
Estos hallazgos abren la puerta a explorar las propiedades electrónicas de CaMnBi 2 y compuestos relacionados, así como las posibilidades que surgen de la conexión entre propiedades magnéticas y estados topológicos en estas intrigantes formas de materia.
