Werkend met een kwantummateriaal dat bekend staat als een kagome-magneet, heeft een team van natuurkundigen en collega's van Boston College rechtstreeks gemeten hoe individuele elektronische kwantumtoestanden in het nieuwe materiaal reageren op externe magnetische velden door energie op een ongebruikelijke manier te verschuiven, rapporteren de onderzoekers in de laatste online editie van het tijdschrift Nature Physics .

Volgens het team, dat samenwerkte met wetenschappers van de Renmin University in Peking, China, zijn de metingen die door het project worden gegenereerd de eerste in hun soort die de door het momentum opgeloste, veldgeïnduceerde evolutie van deze kwantumtoestanden rechtstreeks meten.

De bevindingen boden de eerste experimentele demonstratie van theoretische voorspellingen over hoe de elektronische bandstructuur kan veranderen in deze nieuwe materialen, in dit geval bulk eenkristallen van yttrium-mangaantin YMn₆ Sn₆ , volgens Boston College Associate Professor of Physics Ilija Zeljkovic, een hoofdco-auteur van het rapport.

"Wanneer een magnetisch veld wordt toegepast op een materiaal, kan de elektronische bandstructuur - een verzameling kwantumtoestanden die elektronen in vaste stoffen kunnen bezetten - op ongebruikelijke manieren veranderen", zei Zeljkovic. "Deze veranderingen zijn tot dusver afgeleid uit theoretische berekeningen of indirect toegankelijk via veld-geïnduceerde veranderingen in macroscopische meetbare eigenschappen. Directe meting van veld-geïnduceerde veranderingen in de elektronische bandstructuur was moeilijk te meten."

Het team overwon de experimentele uitdagingen van het bestuderen van het materiaal door middel van spectroscopische beeldvormende scanning tunneling microscopie. Kagome-magneten, zoals YMn₆ Sn₆ bestudeerd door het team, worden zo genoemd omdat ze een magnetische structuur hebben en een atoomrooster dat lijkt op Japanse 'kagome' geweven manden.

Kagome-magneten herbergen zogenaamde Dirac-fermionen, die volgens Zeljkovic quasideeltjes zijn die worden gekenmerkt door een massa nul en een lineaire energie-impulsdispersie in een elektronische bandstructuur die lijkt op relativistische deeltjes.

Theoretische natuurkundigen zoals Zeljkovic' collega en co-auteur, Boston College Professor of Physics Ziqiang Wang, hebben wiskundig aangetoond dat Dirac-fermionen kunnen evolueren - vanuit het standpunt van energie en momentum - als reactie op een magnetisch veld. Het team ging die voorspellingen testen, zei Zeljkovic.

Het team ontdekte dat kwantumtoestanden geassocieerd met Dirac-fermionen sterk reageren op magnetisch veld en verschuiven naar hogere energieën, ongeacht de richting van het veld, volgens de Nature Physics rapport, getiteld "Manipulatie van Dirac-bandkromming en momentumafhankelijke g-factor in een kagome-magneet."

"Interessant is dat ze een momentumafhankelijke verschuiving vertonen - voor een vast magnetisch veld verschuiven kwantumtoestanden in de buurt van het Dirac-punt het meest; de verschuiving wordt steeds kleiner weg van het Dirac-punt," zei Zeljkovic. Het Dirac-punt is een punt in de energie-impulsruimte waar geleidings- en valentiebanden elkaar raken.

Zeljkovic zei dat de verwachting was dat het systeem zonder magnetisch veld massaloze of massaloze Dirac-fermionen zou bevatten op basis van de oriëntatie van spins die voornamelijk in het vlak liggen. In plaats daarvan deed het team de verrassende observatie dat Dirac-fermionen in dit materiaal bij nulveld een eindige massa hebben. Waarom dit gebeurde, zal een vraag zijn voor theoretici om verder te onderzoeken.

Vanuit een experimenteel standpunt zei Zeljkovic dat er op basis van deze bevindingen veel aanvullende vragen moeten worden opgelost. In het bijzonder zijn er meerdere concurrerende effecten die kunnen leiden tot een momentumafhankelijke bandevolutie, waarbij elektronenspin en orbitale vrijheidsgraden betrokken zijn.

Vooral orbitaal magnetisme, een eigenschap die onlangs aandacht en opwinding heeft gegenereerd bij onderzoekers die 'verdraaide' van der Waals-structuren bestuderen, is een van de extreem opwindende mogelijkheden, zei Zeljkovic.

"Onze toekomstige experimenten zullen gericht zijn op het ontwarren van verschillende bijdragen en het onderzoeken van orbitaal magnetisme in deze en verwante kagome-magneten," voegde Zeljkovic toe. + Verder verkennen

Een supergeleider van het Kagome-rooster onthult een 'cascade' van kwantumelektrontoestanden