Materialen die topologische elektronische eigenschappen en kwantummagnetisme combineren, zijn van groot belang voor de kwantum veeldeeltjesfysica die ze vertonen en voor mogelijke toepassingen in elektronische componenten. ETH-natuurkundigen hebben nu het microscopische mechanisme vastgesteld dat magnetisme en elektronische bandtopologie voor een dergelijk materiaal met elkaar verbindt.

Dirac-materie is een intrigerende klasse van materialen met interessante eigenschappen:elektronen in deze materialen gedragen zich alsof ze geen massa hebben. Het meest prominente Dirac-materiaal is grafeen, maar anderen zijn ontdekt in de afgelopen 15 jaar. Elk dient als een rijke speeltuin voor het verkennen van exotisch elektronisch gedrag, waarvan sommige nieuwe componenten voor elektronica mogelijk maken.

Echter, er zijn maar heel weinig voorbeelden waarbij de topologie van de elektronische banden op een goed gedefinieerde manier is verbonden met de magnetische eigenschappen van de materialen. Een materiaal waarin een dergelijk samenspel tussen topologische elektronische toestanden en magnetisme is waargenomen, is CaMnBi ₂ , maar het mechanisme tussen de twee bleef onduidelijk. Inschrijven Fysieke beoordelingsbrieven , postdoc Run Yang en Ph.D. student Matteo Corasaniti van de Optical Spectroscopy-groep van Prof. Leonardo Degiorgi aan het Laboratory for Solid State Physics van ETH Zürich, werken met collega's van Brookhaven National Laboratory (VS) en de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking, rapporteer nu een uitgebreide studie die duidelijk bewijs levert dat een licht duwtje op de magnetische momenten, bekend als spinkantelen, veroorzaakt substantiële veranderingen in de elektronische bandstructuur.

CaMnBi ₂ en de verwante verbinding SrMnBi ₂ kwantummagnetisme vertonen - de mangaanionen zijn antiferromagnetisch geordend bij ongeveer kamertemperatuur en lager - en tegelijkertijd, ze bevatten Dirac-elektronen. Dat er een samenspel is tussen de twee panden is vermoed, zoals bij ~ 50 K, er verschijnt een onverwachte 'bump' in de geleidingseigenschappen in deze materialen. Maar de precieze aard van deze anomalie werd tot nu toe slecht begrepen.

In eerder werk dat optische eigenschappen bestudeert, Corasaniti, Yang en collega's hadden al een verband gelegd met de elektronische eigenschappen van het materiaal. Ze maakten gebruik van het feit dat de hobbelachtige anomalie in de transporteigenschappen in temperatuur kan worden verschoven door een deel van de calciumatomen te vervangen door natrium. Om de microscopische oorsprong van het waargenomen gedrag te bepalen, ze bestudeerden monsters met verschillende natriumdoteringen door middel van koppelmagnetometrie. Bij deze techniek, het koppel op een magnetisch monster wordt gemeten wanneer het wordt blootgesteld aan een voldoende sterk veld, analoog aan een kompasnaald die uitlijnt met het magnetische veld van de aarde. Deze aanpak wees het team op de oorsprong van de anomalie.

Een stevige link tussen magnetische en elektronische eigenschappen

In hun magnetische koppelexperimenten, vonden de onderzoekers dat bij temperaturen waar geen anomalie wordt waargenomen in de elektronische transportmetingen, het magnetische gedrag lijkt op een antiferromagneet. Echter, bij temperaturen waarbij de anomalie zich manifesteert, een ferromagnetische component verscheen, die kan worden verklaard door een projectie van magnetische momenten op het vlak loodrecht op de gemakkelijke spin c-as van de oorspronkelijke antiferromagnetische orde (zie figuur). Dit fenomeen staat bekend als spinkanteling, geïnduceerd door een zogenaamd superuitwisselingsmechanisme.

Deze twee reeksen experimenten - de optische en torsiemetingen - werden ondersteund door speciale eerste-principeberekeningen. Vooral, voor het geval dat spinkanteling in de berekeningen was opgenomen, een eigenaardige hybridisatie tussen de mangaan- en bismutatomen bleek de magnetische koppeling tussen de lagen te bemiddelen en de elektronische eigenschappen in het materiaal te regelen. Bij elkaar genomen, de studie legt een direct verband tussen de magnetische eigenschappen en veranderingen in de elektronische bandstructuur, weerspiegeld in de hobbelanomalie van de transporteigenschappen.

Deze bevindingen openen de deur naar het verkennen van de elektronische eigenschappen van CaMnBi ₂ en verwante verbindingen, evenals de mogelijkheden die voortvloeien uit het verband tussen magnetische eigenschappen en topologische toestanden in deze intrigerende vormen van materie.