Ze ontlenen hun naam aan een ingewikkeld Japans mandenpatroon, Van kagome-magneten wordt gedacht dat ze elektronische eigenschappen hebben die waardevol kunnen zijn voor toekomstige kwantumapparaten en -toepassingen. Theorieën voorspellen dat sommige elektronen in deze materialen exotische, zogenaamde topologische gedragingen en andere gedragen zich enigszins als grafeen, een ander materiaal dat wordt gewaardeerd om zijn potentieel voor nieuwe soorten elektronica.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Princeton University heeft waargenomen dat sommige elektronen in deze magneten zich collectief gedragen, als een bijna oneindig massief elektron dat vreemd magnetisch is, in plaats van als individuele deeltjes. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica deze week.

Het team toonde ook aan dat het plaatsen van de kagome-magneet in een hoog magnetisch veld ervoor zorgt dat de richting van het magnetisme omkeert. Dit "negatieve magnetisme" is verwant aan het hebben van een kompas dat naar het zuiden wijst in plaats van naar het noorden, of een koelkastmagneet die ineens niet meer wil plakken.

"We zijn op zoek naar superzware 'flat-band'-elektronen die nog lange tijd elektriciteit kunnen geleiden, en eindelijk hebben we ze gevonden, " zei M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, die het team leidde. "In dit systeem we ontdekten ook dat als gevolg van een intern kwantumfase-effect, sommige elektronen staan ​​tegenover het magnetische veld, het produceren van negatief magnetisme."

Het team onderzocht hoe atomen gerangschikt in een kagomepatroon in een kristal aanleiding geven tot vreemde elektronische eigenschappen die in de praktijk voordelen kunnen hebben. zoals supergeleiding, waardoor elektriciteit kan stromen zonder verlies als warmte, of magnetisme dat op kwantumniveau kan worden gecontroleerd voor gebruik in toekomstige elektronica.

De onderzoekers gebruikten state-of-the-art scanning tunneling microscopie en spectroscopie (STM/S) om te kijken naar het gedrag van elektronen in een kagome-patroon kristal gemaakt van kobalt en tin, ingeklemd tussen twee lagen zwavelatomen, die verder zijn ingeklemd tussen twee lagen tin.

In de kagomelaag, de kobaltatomen vormen driehoeken rond een zeshoek met een tinatoom in het midden. Deze geometrie dwingt de elektronen in een aantal ongemakkelijke posities, waardoor dit type materiaal een 'gefrustreerde magneet' wordt genoemd.

Om het elektronengedrag in deze structuur te onderzoeken, de onderzoekers hebben de bovenste lagen gepikt om de kagome-laag eronder te onthullen.

Vervolgens gebruikten ze de STM/S-techniek om het energieprofiel van elk elektron te detecteren, of bandstructuur. De bandstructuur beschrijft het bereik van energieën die een elektron kan hebben in een kristal, en legt uit, bijvoorbeeld, waarom sommige materialen elektriciteit geleiden en andere zijn isolatoren. De onderzoekers ontdekten dat sommige elektronen in de kagomelaag een bandstructuur hebben die, in plaats van gebogen te zijn zoals bij de meeste materialen, is plat.

Een platte bandstructuur geeft aan dat de elektronen een effectieve massa hebben die zo groot is dat deze bijna oneindig is. In een dergelijke staat, de deeltjes werken collectief in plaats van als individuele deeltjes.

Theorieën hebben lang voorspeld dat het kagome-patroon een platte bandstructuur zou creëren, maar deze studie is de eerste experimentele detectie van een platbandelektron in een dergelijk systeem.

Een van de algemene voorspellingen die volgt, is dat een materiaal met een platte band negatief magnetisme kan vertonen.

Inderdaad, in de huidige studie, toen de onderzoekers een sterk magnetisch veld toepasten, sommige elektronen van de kagome-magneet wezen in de tegenovergestelde richting.

"Of het veld nu naar boven of naar beneden werd toegepast, de energie van de elektronen keerde in dezelfde richting, dat was het eerste wat vreemd was in termen van de experimenten, " zei Songtian Sonia Zhang, een afgestudeerde student natuurkunde en een van de drie co-eerste auteurs op het papier.

"Dat verbaasde ons ongeveer drie maanden, " zei Jia-Xin Yin, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en een andere co-eerste auteur van het onderzoek. "We waren op zoek naar de reden, en met onze medewerkers realiseerden we ons dat dit het eerste experimentele bewijs was dat deze platte bandpiek in het Kagome-rooster een negatief magnetisch moment heeft."

De onderzoekers ontdekten dat het negatieve magnetisme ontstaat door de relatie tussen de platte band van Kagome, een kwantumfenomeen genaamd spin-baankoppeling, magnetisme en een kwantumfactor genaamd het Berry-krommingsveld. Spin-baankoppeling verwijst naar een situatie waarin de spin van een elektron, die zelf een kwantumeigenschap is van elektronen, wordt gekoppeld aan de orbitale rotatie van het elektron. De combinatie van spin-orbitale koppeling en de magnetische aard van het materiaal zorgt ervoor dat alle elektronen zich in de slotstap gedragen, als een gigantisch enkel deeltje.

Een ander intrigerend gedrag dat voortkomt uit de nauw gekoppelde spin-baan interacties is de opkomst van topologisch gedrag. Het onderwerp van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016, topologische materialen kunnen elektronen hebben die zonder weerstand op hun oppervlak stromen en zijn een actief onderzoeksgebied. Het materiaal kobalt-tin-zwavel is een voorbeeld van een topologisch systeem.

Tweedimensionale patroonroosters kunnen andere gewenste soorten elektronengeleiding hebben. Bijvoorbeeld, grafeen is een patroon van koolstofatomen dat de afgelopen twee decennia veel belangstelling heeft gewekt voor zijn elektronische toepassingen. De bandstructuur van het kagome-rooster geeft aanleiding tot elektronen die zich op dezelfde manier gedragen als die in grafeen.

De studie, "Negatief vlakband magnetisme in een spin-baan gekoppelde gecorreleerde kagome magneet, " door Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilja Belopolski, Nana Shumiya, Daniël Multer, Maksim Litskevitsj, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Shuang Jia, Hechang Lei en M. Zahid Hasan, werd online gepubliceerd op 18 februari, 2019 in het journaal Natuurfysica .