Sinds 2016, een team van MIT-onderzoekers bestaande uit afgestudeerde studenten Linda Ye en Min Gu Kang, universitair hoofddocent natuurkunde Joseph G. Checkelsky, en Class of 1947 Career Development Assistant Professor of Physics Riccardo Comin heeft zich gericht op het verkennen van de elektronische structuur die ontstaat wanneer atomen van ijzer (Fe) en tin (Sn) worden gecombineerd in herhalende patronen die eruitzien als Japanse kagome-manden, of de Davidster. Het elektronische gedrag van deze kristallijne "kagome" -structuren varieert met de verhouding tussen ijzer- en tinatomen, meestal drie tegen twee of drie tegen één.

Vorig jaar, de MIT-teamleden en hun collega's meldden dat Fe ₃ sn ₂ , een verbinding met een verhouding van drie tot twee van ijzer tot tin, genereert Dirac-fermionen - een speciaal soort elektronische toestand waarin de spin van het elektron en de baan van het elektron aan elkaar zijn gekoppeld. Deze speciale staat van elektronenbeweging wordt beschermd door de topologie, of geometrische structuur, van het kristal.

IJzer-tinverbindingen zijn van bijzonder belang omdat het natuurlijke magnetisme van ijzeratomen hun elektronische gedrag verder beïnvloedt, in het bijzonder waardoor de spins van naburige elektronen in tegengestelde richtingen afwisselen (met de klok mee of tegen de klok in), wat antiferromagnetisme wordt genoemd. In een rapport gepubliceerd op 9 december in Natuurmaterialen , deze onderzoekers en 18 co-auteurs in de Verenigde Staten en elders vinden dat in een één-op-één ijzer-tinverbinding, de symmetrie van het kagome-rooster is bijzonder, tegelijkertijd gastheer van zowel oneindig lichte massaloze deeltjes (Dirac-fermionen genoemd) als oneindig zware deeltjes (die zich experimenteel manifesteren als platte banden in de elektronische structuur van het materiaal).

"Onze studie combineert verschillende gebieden van de natuurkunde (topologie, magnetisme, en sterk gecorreleerde elektronen) in een enkel platform van ideale kagomemetalen, " zegt mede-eerste auteur Min Gu Kang, een afgestudeerde student natuurkunde. "Wij geloven dat het benutten van het rijke en unieke elektronische spectrum van FeSn de basis zou kunnen zijn van nieuwe topologische fasen en spintronische apparaten."

Het experimenteel realiseren van deze speciale elektronische bandstructuur was vooral moeilijk omdat, in echte kagome-verbindingen, interferentie met een "ideaal" rooster komt van elektronen die interageren tussen lagen, elektronen hoppen naar de dichtstbijzijnde naaste atomen, en de meervoudige orbitale vrijheidsgraden van elk elektron. Nog in 2014, Professor Maria Roser Valenti van de Goethe-universiteit Frankfurt in Duitsland schreef in Nature Communications dat zo'n ideale kagome-bandstructuur "meer een numerieke curiositeit van een vereenvoudigd model is dan een toegankelijke functie in echte materialen."

Een doorbraak in het huidige werk was de synthese van de één-op-één verbinding FeSn. De structuur van deze ijzer-tinverbinding verschilt van eerder bestudeerde kagomeverbindingen, omdat elke ijzer-tinlaag met een kagomestructuur goed gescheiden is door een afstandslaag die uitsluitend uit tinatomen bestaat. In deze structuur, elke ijzer-tin kagome-laag gedraagt ​​zich als een tweedimensionale kagome-laag in het driedimensionale kagome-kristal, het podium om een ​​ideale kagome bandstructuur te realiseren.

De onderzoekers bevestigden hun bevindingen over de elektronische structuur van één op één ijzer-tin door twee complementaire elektronische structuursondes te combineren:hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) en de Haas-van Alphen kwantumoscillatie-experimenten. Afgestudeerde studenten Kang en Abraham L. Levitan in de groep van Riccardo Comin voerden de ARPES-experimenten uit bij de Advanced Light Source in Berkeley, Californië, en afgestudeerde student Linda Ye in de groep van Joe Checkelsky voerden de Haas-van Alphen-quantumoscillatie-experimenten uit in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, en Los Alamos, New Mexico.

Hun foton-energie en polarisatie-afhankelijke ARPES-experimenten demonstreren ondubbelzinnig de gelijktijdige opkomst van zowel Dirac-fermionen als platte banden in de buurt van de Fermi-energie, zeggen de onderzoekers. "Dit realiseert volledig de lang gezochte elektronische structuren van Kagome, en heft FeSn op als het eerste 'ideale' kagome-metaal, ' zegt Kang.

Vanwege de contrasterende lagen in één op één ijzer-tin-lagen van ijzer en tinatomen gestructureerd in een "sheriff star-type" of "kagome" patroon afgewisseld met lagen van alleen tinatomen - ontdekten de onderzoekers een ander uniek aspect van dit materiaal . Wanneer het materiaal wordt doorgesneden, het nieuwe onthulde oppervlak gedraagt ​​zich anders, of het nu een tin-only laag of een ijzer-tin laag blootlegt. Deze verschillende elektronische oppervlaktestructuur werd bevestigd door de microgerichte fotonenstraal van de MAESTRO-bundellijn bij de geavanceerde lichtbron. Deze combinatie van tweedimensionaal en driedimensionaal elektronisch gedrag in een enkel materiaal zou kunnen worden gebruikt om snel schakelende spintronische apparaten met laag vermogen te ontwerpen, spin supergeleiders, en een kwantum abnormaal Hall-effect bij hoge temperatuur, zeggen de onderzoekers.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.