Zoals zoveel doelwitten van wetenschappelijk onderzoek, de materiaalklasse die de kagome-magneet wordt genoemd, is een bron van zowel frustratie als verbazing gebleken. Het verder onthullen van de kwantumeigenschappen van de kagome-magneet wordt gezien als een van de belangrijkste uitdagingen in de fundamentele fysica, zowel voor theoretici als voor experimentatoren.

Een ongebruikelijke onderliggende geometrie van de atomaire rangschikking staat centraal in de waarde van deze materialen. Kagome-roosters worden beschreven als kruisende banen van "hoekdelende driehoeken" en worden gewaardeerd om het unieke gedrag van de overstekende elektronen, vruchtbare grond voor de studie van kwantumelektronische toestanden beschreven als gefrustreerd, gecorreleerd en topologisch.

Een recente studie door een internationale groep onderzoekers, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , ontdekte dat de kagome ferromagneet Fe3Sn2 een elektronische toestand vertoont die ongewoon sterk koppelt aan een aangelegd magnetisch veld dat kan worden geroteerd om in elke richting van een driedimensionale ruimte te wijzen, onthullend op kwantumschaal een "gigantische" door magnetisatie aangedreven elektronische energieverschuiving die plaatsvindt in het materiaal.

Die energieverschuiving werpt nieuw licht op de aanwezigheid van spin-baankoppeling en topologische spintexturen in kagome-roosters, waar magnetische en elektronische structuren met elkaar verstrengeld zijn en ongebruikelijke - vaak voorheen onbekende - spin-baanactiviteit produceren, zei Boston College hoogleraar natuurkunde Ziqiang Wang, een co-auteur van het rapport, getiteld "Giant en anisotrope spin-orbit-afstembaarheid in een sterk gecorreleerde kagome-magneet."

"We hebben twee dingen ontdekt. ​​De eerste is dat de elektronische toestand van Fe3Sn2 nematisch is, een toestand die spontaan de rotatiesymmetrie verbreekt. De elektronen gedragen zich als een vloeibaar kristal in deze magneet, vermoedelijk door de sterke elektron-elektron interactie, " zei Wang. "Het tweede dat we ontdekten, is dat je de elektronenenergiestructuur kunt manipuleren en grote veranderingen kunt aanbrengen door de magnetische structuur af te stemmen door een magnetisch veld aan te leggen."

Wang, een theoretisch fysicus, en afgestudeerde student Kun Jiang, doctoraat, die nieuwe kwantumelektronische toestanden hebben bestudeerd die het gevolg zijn van het samenspel van elektron-elektroninteractie, geometrische frustratie, en topologische bandstructuren, voegde zich bij experimentele collega's die voor het eerst de ongebruikelijke elektronische activiteit opmerkten terwijl ze het materiaal bestudeerden met behulp van scanning tunneling microscopie.

Het team, waaronder onderzoekers uit BC, Princeton Universiteit, Chinese Wetenschapsacademie, Renmin-universiteit, en Peking University - gebruikte STM- en vectormagnetische-veldtools om de spin-baangekoppelde elektronische eigenschappen van de kagome-ferromagneet te identificeren en de exotische fenomenen erin te onderzoeken, tijdens het uitvoeren van modellering en berekeningen om theoretische interpretatie en begrip van de waargenomen verschijnselen te verschaffen.

"Wat onze collega's ontdekten, is dat door de richting van het magnetische veld te veranderen, ze zagen veranderingen in de elektronische toestanden die abnormaal groot zijn, " zei Wang. "De verschuivingen van de bands - er zijn bandhiaten, verboden gebieden in de kwantummechanica waar elektronen niet kunnen verblijven - die gebieden kunnen enorm worden afgestemd door het aangelegde magnetische veld."

De "bandverschuiving" is een verandering in de elektronische bandstructuur, zei Wang. Het vergroot en verkleint de bandafstand afhankelijk van de magnetische veldrichtingen. De kagome-ferromagneet vertoonde een verschuiving die ongeveer 150 keer groter was dan die van gewone materialen.

Het onderzoeken van de interferentiepatronen van de kwantummechanische golffuncties van het elektron onthulde consistente spontane nematiciteit - een indicatie van belangrijke elektronencorrelatie die de rotatiesymmetrie-breking van de elektronische toestand in het materiaal veroorzaakt.

Deze door spin aangedreven gigantische elektronische reacties wezen op de mogelijkheid van een onderliggende gecorreleerde magnetische topologische fase, meldden de onderzoekers. De afstembaarheid van de kagome-magneet onthulde een sterk samenspel tussen een extern aangelegd magnetisch veld en nematiciteit, het bieden van nieuwe manieren om spin-baaneigenschappen te beheersen en opkomende fenomenen in topologische of kwantummaterialen te onderzoeken, schreef het team.

De enorme afstembaarheid van het magnetische veld van de elektrische eigenschappen kan op een dag leiden tot potentiële toepassingen in elektronische apparaten zoals geheugen- en informatieopslag- en detectietechnologieën, zei Wang.

"Wat opwindend is aan deze resultaten, is het potentieel om iets nuttigs te realiseren, "zei Wang. "Dit komt van zeer fundamentele natuurkunde, maar het kan op een dag verbinding maken met applicaties. We begrijpen niet alles, maar we weten nu dat dit een materiaal is dat al deze belangrijke ingrediënten bevat."