En los materiales sólidos, el magnetismo generalmente se origina a partir de la alineación de los espines de los electrones. Por ejemplo, en el hierro ferromagnético, la magnetización neta general es provocada por la alineación de los espines en la misma dirección.
En los últimos años, físicos y científicos de materiales han identificado materiales en los que el magnetismo surge de forma diferente debido a factores topológicos. Desde entonces, muchos estudios se han centrado en descubrir nuevos materiales que exhiban estas formas no convencionales de magnetismo.
Investigadores del Boston College, la Universidad de California en Santa Bárbara, la Universidad de Würzburg y otros institutos observaron recientemente magnetismo de origen topológico en un metal kagome bicapa, concretamente TbV6 Sn6 . Su artículo, publicado en Nature Physics , descubrió un colosal efecto orbital Zeeman mejorado por la curvatura de Spin Berry en TbV6 Sn6 .
"En algunos materiales nuevos, el magnetismo puede surgir de otras maneras, por ejemplo a partir de la topología de las bandas electrónicas", dijo a Phys.org Ilija Zeljkovic, coautor del artículo.
"Algunos estados electrónicos pueden adquirir una propiedad llamada curvatura de Berry, que a su vez puede conducir a momentos magnéticos orbitales asociados con estados electrónicos particulares. Curiosamente, tales momentos magnéticos orbitales pueden ser enormes, mucho mayores que los de un espín individual".
El objetivo clave del reciente estudio de Zeljkovic y sus colegas fue investigar los momentos orbitales especiales informados en trabajos anteriores, específicamente en el material kagome TbV6 Sn6 . Además, esperaban comprender mejor cómo respondían estos momentos a los campos magnéticos.
"Se ha propuesto que los materiales Kagome en general los exhiban debido a la geometría de la red que naturalmente puede dar lugar a bandas planas topológicas sin dispersión y puntos de Dirac, puntos especiales donde se cruzan bandas linealmente dispersas", dijo Zeljkovic. "La curvatura de Berry y la curvatura de Spin-Berry tienden a ser sustanciales cerca de los puntos de Dirac si el punto de Dirac está separado, lo que conduce a grandes momentos magnéticos orbitales y facilita su observación".
Los investigadores examinaron su TbV6 Sn6 muestra utilizando una técnica conocida como microscopía de efecto túnel y espectroscopia (STM/S). Esta técnica implica el uso de una punta metálica afilada colocada cerca de la superficie de la muestra (es decir, dentro de unos pocos Angstroms) para medir la corriente de túnel en función de la posición de la punta.
"La corriente de túnel contiene información sobre la densidad de estados electrónicos (DOS), o cuántos estados electrónicos tenemos disponibles en cualquier energía dada para que los ocupen los electrones", explicó Zeljkovic. "Realizamos un mapeo espectroscópico espacial del DOS utilizando STM para mapear los estados electrónicos en función de la energía y el impulso".
Posteriormente, Zeljkovic y sus colegas repitieron el mismo experimento centrándose en los campos magnéticos, con el objetivo de descubrir la evolución de estos estados electrónicos en los campos magnéticos. Este segundo experimento finalmente les permitió extraer los momentos magnéticos orbitales asociados con estados electrónicos individuales.
"Descubrimos que los momentos magnéticos orbitales cerca del punto de Dirac son cientos de veces mayores que los momentos magnéticos asociados con el espín del electrón", dijo Zeljkovic. "También visualizamos cómo los estados electrónicos degenerados con curvatura opuesta de Spin Berry se deforman en campos magnéticos en direcciones opuestas, un fenómeno al que nos referimos como división orbital de Zeeman".
Los investigadores observaron que la división de la degeneración de la banda de electrones en su muestra era sorprendentemente grande, y su tamaño tenía sus raíces en su gran curvatura subyacente de espín-Berry. Sus resultados experimentales fueron posteriormente corroborados mediante una serie de cálculos teóricos.
El trabajo reciente de este equipo de investigadores recopiló información interesante sobre estados magnéticos no convencionales de origen topológico. En el futuro, sus hallazgos podrían inspirar nuevos esfuerzos de investigación que investiguen otros grandes momentos magnéticos orbitales impulsados por la curvatura de Berry, como los observados previamente en algunas estructuras basadas en grafeno.
"En el material que examinamos, los grandes momentos magnéticos orbitales están asociados con estados alejados del nivel de Fermi", añadió Zeljkovic. "Si uno puede ajustar el material para que estos estados electrónicos puedan emerger cerca del nivel de Fermi, por ejemplo mediante tensión o dopaje químico, estos momentos pueden potencialmente dar lugar a un magnetismo orbital que también puede ser detectado por otras sondas experimentales, y potencialmente útil para bajar Aplicaciones de última generación en dispositivos."
