Los materiales cuánticos emergentes se pueden definir por topología y fuertes correlaciones de electrones, aunque sus aplicaciones en sistemas experimentales son relativamente limitadas. Los semimetales de Weyl que incorporan magnetismo ofrecen una plataforma única y fértil para explorar fenómenos emergentes en el desarrollo de materia topológica y espintrónica topológica. El antiferromagnet triangular Mn ₃ Sn exhibe muchas propiedades físicas exóticas como un semimetal de Weyl antiferromagnético (AFM) (WSM), incluyendo un efecto Hall espontáneo atractivo y grande.

El efecto Hall espontáneo se descubrió hace más de un siglo y se entendió en términos de ruptura de la simetría de inversión del tiempo por la estructura de espín interno del antiferromagnético, formas ferromagnéticas o skyrmiónicas (pequeños defectos topológicos arremolinados en la magnetización).

En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Durga Khadka y un equipo de científicos en física, ciencia de los Materiales, La investigación e ingeniería de neutrones en los EE. UU. informó la síntesis de Mn epitaxial _{3 + x} Sn _{1 − x} películas con composiciones similares a las muestras a granel. Cuando reemplazaron los átomos de estaño (Sn) con átomos magnéticos de manganeso (Mn) en las muestras, notaron el efecto Kondo; un ejemplo célebre de fuertes correlaciones que emergen, luego desarrollan coherencia e inducen una brecha de energía de hibridación. El proceso de dopaje magnético y apertura de huecos facilitó ricas propiedades extraordinarias para los nuevos materiales.

Los semimetales de Weyl y el efecto Kondo

Los científicos de materiales estudian la topología de la estructura de bandas y el diseño de materiales como una característica cada vez más importante que contribuye a muchos comportamientos exóticos en materiales cuánticos novedosos. La teoría de bandas o estructura de bandas define el comportamiento mecánico-cuántico de los electrones en los sólidos. La topología de la estructura de banda es fundamental para comprender el desarrollo de semimetales topológicos sin espacios como los semimetales de Weyl (WSM) y los semimetales de Dirac que son análogos tridimensionales (3-D) del grafeno.

Los semimetales de Weyl son cristales de estado sólido con excitaciones de baja energía conocidos como fermiones de Weyl que transportan carga eléctrica a temperatura ambiente. Las bandas de conducción y valencia de los WSM se cruzan en puntos específicos del espacio de momento, conocidos como nodos de Weyl, y su espaciamiento, a su vez, dicta la magnitud del efecto Hall anómalo intrínseco, un efecto observado en sólidos con simetría de inversión de tiempo rota o conservación de entropía. Los nodos de Weyl aparecen como pares no degenerados con quiralidad opuesta. Hasta ahora, el trabajo sobre los WSM se ha centrado en los sistemas que interactúan débilmente con una necesidad creciente de incluir los efectos de las correlaciones electrónicas fuertes. El efecto Kondo es un ejemplo clásico de comportamiento fuertemente correlacionado que se origina en el acoplamiento entre los espines de los electrones de conducción y los momentos magnéticos locales. Este trabajo sugiere WSM como una plataforma fértil para estudiar nuevas fases cuánticas debido a la interacción entre la física de Weyl y Kondo.

El equipo seleccionó el metal semimagnético antiferromagnético Weyl (WSM) Mn ₃ Sn como material prometedor para estudiar los conceptos. En el Mn ₃ Sn estructura hexagonal, los átomos de Mn formaron una red de Kagome 2-D (un patrón tejido compuesto de triángulos entrelazados) con átomos de Sn sentados en los centros del hexágono. Los científicos utilizaron mediciones de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) para observar las características estructurales. Las sobresalientes propiedades topológicas y espintrónicas junto con fuertes correlaciones hicieron que Mn ₃ Sn una plataforma ideal para estudiar la física multifacética entre topología, magnetismo, fuertes correlaciones y espintrónica antiferromagnética emergente.

Khadka y col. desarrolló películas epitaxiales de alta calidad y observó efectos de Kondo en películas con exceso de Mn, que actuó como dopante en el sistema después de sustituir Sn. Cuando aumentaron el dopaje de manganeso, el sistema desarrolló la coherencia de Kondo y abrió una brecha de hibridación. El Mn ₃ Sn exhibió un efecto Hall fuertemente anisotrópico. El equipo utilizó co-sputtering de objetivos de Mn y Sn para realizar el crecimiento epitaxial y crear Mn _{3 + x} Sn _{1 − x} Película (s. Usando patrones de difracción de rayos X (XRD) observaron la ausencia de picos de impurezas en el material y usando microscopía de fuerza atómica observaron que la rugosidad de la superficie era de aproximadamente 0,4 nanómetros. Estudios de investigación anteriores habían demostrado la estabilidad de Mn hexagonal ₃ Las películas de Sn después de que el exceso de átomos de Mn reemplazara a los átomos de Sn. Como consecuencia, el dopaje con Mn sintonizó efectivamente la topología de la estructura de la banda y los efectos Hall en Mn _{3 + x} Sn _{1 − x} Las películas permitieron a los científicos explorar correlaciones nuevas e inusuales para comprender la interacción entre Weyl y la física de correlación en una plataforma ideal.

El equipo mostró además una evidencia más sólida de la apertura de espacios de las películas utilizando mediciones de rotación de Faraday en terahercios. Cuando doparon el semimetal de Weyl (WSM) con átomos magnéticos de Mn, notaron una posible transición del efecto Kondo al aislante Kondo; una nueva clase de materia topológica, donde los efectos fueron independientes de la orientación de crecimiento cristalino. Dado que la gran resistencia de Hall anómala espontánea (AHR) que surge de los nodos de Weyl formaba previamente una característica de transporte sobresaliente en la masa de Mn ₃ Sn, Khadka y col. identificó de manera similar la naturaleza de Weyl de la película delgada utilizada aquí con las medidas de Hall. Los cálculos de resistividad de Hall total consideraron la magnetización, coeficiente de Hall ordinario y permeabilidad magnética para las resistencias de Hall inusuales resultantes en las películas.

Magnetorresistencia inusual

Khadka y col. luego registró magnetorresistencia negativa (RMN) como otra característica de transporte importante en los semimetales de Weyl debido a la anomalía quiral del material. Por ejemplo, cuando aplicaron un campo magnético a lo largo de la dirección de la corriente, una corriente de carga quiral conducía desde un nodo de Weyl a su contraparte con quiralidad opuesta. La corriente quiral combinada mejoró la conductividad eléctrica durante el experimento, dando lugar a magnetorresistencia negativa (RMN), una característica que demostró las consecuencias del dopaje de átomos magnéticos de Mn.

De este modo, Durga Khadka y sus colegas desarrollaron antiferromagnético Weyl semimetal Mn _{3 + x} Sn _{1 − x} películas delgadas con una calidad de muestra superior. La emocionante clase de materiales proporcionó una plataforma para estudiar la interacción entre las fuertes correlaciones de electrones, topología y magnetismo. El equipo reemplazó el estaño (Sn) con manganeso magnético (Mn) para realizar un efecto Kondo que llevó a abrir una brecha de hibridación. acompañado de una disminución de la resistencia Hall. El trabajo constituye la base para estudios adicionales sobre materiales relacionados, incluida la localización de electrones mediante el dopado de átomos con diversos elementos, incluido el hierro, cobalto, cobre o gadolinio. El equipo puede ajustar aún más el acoplamiento órbita-giro de las películas delgadas dopando elementos pesados ​​como el plomo (Pb).

Dado que los materiales antiferromagnéticos colineales convencionales no exhiben efectos de resistencia Hall anómalos debido a sus propiedades de magnetización cada vez más pequeñas, no son buenos candidatos para la espintrónica antiferromagnética. A diferencia de, las ricas texturas de giro colineal, y sustanciales resistencias Hall del Mn ₃ La familia de compuestos Sn introducidos en este trabajo lo convierten en un candidato prometedor para tales aplicaciones. Estas películas delgadas ofrecerán nuevos paradigmas para impulsar el campo emergente de la espintrónica antiferromagnética topológica para desarrollar nuevos dispositivos basados ​​en espines.

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