Esquema de la evolución de la banda de Dirac en un campo magnético. Los conos azules (malla gris) representan el fermión masivo de Dirac en un campo magnético externo distinto de cero (cero). Crédito:Física de la naturaleza .
Trabajando con un material cuántico conocido como imán kagome, un equipo de físicos y colegas del Boston College han medido directamente cómo los estados cuánticos electrónicos individuales en el nuevo material responden a los campos magnéticos externos cambiando la energía de una manera inusual, informan los investigadores en el último informe. edición en línea de la revista Nature Physics .
Las mediciones generadas por el proyecto son las primeras de su tipo en medir directamente la evolución inducida por el campo y resuelta por impulso de estos estados cuánticos, según el equipo, que colaboró con científicos de la Universidad Renmin en Beijing, China.
Los hallazgos ofrecieron la primera demostración experimental de predicciones teóricas sobre cómo la estructura de la banda electrónica puede cambiar en estos materiales novedosos, en este caso monocristales a granel de itrio manganeso estaño YMn6 Sn6 , según Ilija Zeljkovic, profesora asociada de física del Boston College y coautora principal del informe.
"Cuando se aplica un campo magnético a un material, la estructura de la banda electrónica, que es una colección de estados cuánticos que pueden ocupar los electrones en los sólidos, puede cambiar de formas inusuales", dijo Zeljkovic. "Hasta ahora, estos cambios se han deducido de cálculos teóricos o se ha accedido indirectamente a ellos a partir de cambios inducidos por el campo en propiedades medibles macroscópicas. La medición directa de los cambios inducidos por el campo en la estructura de la banda electrónica ha sido difícil de medir".
El equipo superó los desafíos experimentales de estudiar el material a través de microscopía de túnel de barrido de imágenes espectroscópicas. Imanes Kagome, como YMn6 Sn6 estudiados por el equipo, se llaman así porque poseen una estructura magnética y una red atómica que se asemeja a las cestas japonesas tejidas "kagome".
Los imanes de Kagome albergan los llamados fermiones de Dirac, que Zeljkovic explicó que son cuasipartículas caracterizadas por una masa cero y una dispersión lineal de energía-momento en una estructura de banda electrónica que se asemeja a partículas relativistas.
Físicos teóricos como el colega y coautor de Zeljkovic, el profesor de física Ziqiang Wang del Boston College, han demostrado matemáticamente que los fermiones de Dirac pueden evolucionar, desde el punto de vista de la energía y el momento, en respuesta a un campo magnético. El equipo se dispuso a probar esas predicciones, dijo Zeljkovic.
El equipo descubrió que los estados cuánticos asociados con los fermiones de Dirac responden fuertemente al campo magnético, cambiando a energías más altas independientemente de la dirección del campo, según Nature Physics. informe, que se titula "Manipulación de la curvatura de la banda de Dirac y el factor g dependiente del impulso en un imán de kagome".
"Curiosamente, exhiben un cambio dependiente del momento:para un campo magnético determinado, los estados cuánticos cerca del punto de Dirac se desplazan más; el cambio se vuelve progresivamente más pequeño alejándose del punto de Dirac", dijo Zeljkovic. El punto de Dirac es un punto en el espacio de energía-momentum donde se tocan las bandas de conducción y valencia.
Zeljkovic dijo que la expectativa era que el sistema sin campo magnético albergaría fermiones de Dirac sin masa, o masa cero, en función de la orientación de los espines que se encuentran principalmente en el plano. En cambio, el equipo hizo la sorprendente observación de que los fermiones de Dirac en este material en el campo cero tienen una masa finita. Por qué ocurrió esto será una pregunta para que los teóricos exploren más a fondo.
Desde un punto de vista experimental, Zeljkovic dijo que hay muchas preguntas adicionales que resolver en función de estos hallazgos. Específicamente, existen múltiples efectos competitivos que pueden conducir a una evolución de banda dependiente del momento, que involucra el espín del electrón y los grados de libertad orbital.
El magnetismo orbital en particular, una propiedad que recientemente ha generado atención y entusiasmo entre los investigadores que estudian las estructuras de van der Waals "retorcidas", es una de las posibilidades extremadamente emocionantes, dijo Zeljkovic.
"Nuestros experimentos futuros se centrarán en desentrañar diferentes contribuciones y examinar el magnetismo orbital en este y otros imanes de kagome relacionados", agregó Zeljkovic. Un superconductor de red Kagome revela una 'cascada' de estados de electrones cuánticos
