De afgelopen jaren hebben natuurkundigen en materiaalwetenschappers materialen geïdentificeerd waarin magnetisme op verschillende manieren ontstaat als gevolg van topologische factoren. Sindsdien zijn veel onderzoeken gericht op het ontdekken van nieuwe materialen die deze onconventionele vormen van magnetisme vertonen.

Onderzoekers van Boston College, University of California Santa Barbara, University of Wurzburg en andere instituten hebben onlangs magnetisme van topologische oorsprong waargenomen in een dubbellaags kagome-metaal, namelijk TbV₆ Sn₆ . Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , bracht een kolossaal orbitaal Zeeman-effect aan het licht, versterkt door de Spin Berry-kromming in TbV₆ Sn₆ .

"In sommige nieuwe materialen kan magnetisme op andere manieren ontstaan, bijvoorbeeld uit de topologie van elektronische banden", vertelde Ilija Zeljkovic, co-auteur van het artikel, aan Phys.org.

"Sommige elektronische toestanden kunnen een eigenschap verwerven die Berry-kromming wordt genoemd, wat op zijn beurt kan leiden tot orbitale magnetische momenten die verband houden met bepaalde elektronische toestanden. Interessant genoeg kunnen dergelijke orbitale magnetische momenten enorm zijn, veel groter dan die van een individuele spin."

Het belangrijkste doel van de recente studie van Zeljkovic en zijn collega's was het onderzoeken van de speciale orbitale momenten die in eerdere werken zijn gerapporteerd, met name in het kagome-materiaal TbV₆ Sn₆ . Bovendien hoopten ze beter te begrijpen hoe deze momenten reageerden op magnetische velden.

"Er is voorgesteld dat Kagome-materialen in het algemeen deze vertonen vanwege de geometrie van het rooster die op natuurlijke wijze aanleiding kan geven tot topologische dispersieloze platte banden en Dirac-punten, speciale punten waar lineair verspreidende banden elkaar kruisen, " zei Zeljkovic. "Berry-kromming en spin-Berry-kromming hebben de neiging substantieel te zijn in de buurt van Dirac-punten als het Dirac-punt een opening heeft, wat leidt tot grote orbitale magnetische momenten en hun observatie vergemakkelijkt."

De onderzoekers keken naar hun TbV₆ Sn₆ monster met behulp van een techniek die bekend staat als scanning tunneling microscopie en spectroscopie (STM/S). Deze techniek omvat het gebruik van een scherpe metalen punt die dicht bij het oppervlak van het monster wordt geplaatst (d.w.z. binnen een paar Angstrom) om de tunnelstroom te meten als functie van de positie van de punt.

"De tunnelstroom bevat informatie over de elektronische toestandsdichtheid (DOS), of hoeveel elektronische toestanden we beschikbaar hebben bij een bepaalde energie die de elektronen kunnen bezetten", legt Zeljkovic uit. "We hebben ruimtelijke spectroscopische kartering van de DOS uitgevoerd met behulp van STM om elektronische toestanden in kaart te brengen als een functie van energie en momentum."

Zeljkovic en zijn collega's herhaalden vervolgens hetzelfde experiment, gericht op magnetische velden, met als doel de evolutie van deze elektronische toestanden in magnetische velden bloot te leggen. Dankzij dit tweede experiment konden ze uiteindelijk de orbitale magnetische momenten extraheren die verband houden met individuele elektronische toestanden.

"We ontdekten dat orbitale magnetische momenten nabij het Dirac-punt honderden keren groter zijn dan die van het magnetische moment geassocieerd met elektronenspin", zei Zeljkovic. "We hebben ook gevisualiseerd hoe de gedegenereerde elektronische toestanden met tegengestelde Spin Berry-kromming in magnetische velden in tegengestelde richtingen vervormen, een fenomeen dat we orbitale Zeeman-splitsing noemen."

De onderzoekers merkten op dat de splitsing van de degeneratie van de elektronenband in hun monster verrassend groot was, en dat de omvang ervan geworteld was in de grote onderliggende spin-Berry-kromming. Hun experimentele resultaten werden later bevestigd door een reeks theoretische berekeningen.

Het recente werk van dit team van onderzoekers heeft interessant inzicht opgeleverd in onconventionele magnetische toestanden van topologische oorsprong. In de toekomst zouden hun bevindingen een inspiratie kunnen zijn voor verder onderzoek naar andere grote orbitale magnetische momenten die worden aangedreven door de Berry-kromming, zoals die eerder zijn waargenomen in sommige op grafeen gebaseerde structuren.

"In het materiaal dat we hebben onderzocht, worden grote orbitale magnetische momenten geassocieerd met toestanden ver weg van het Fermi-niveau", voegde Zeljkovic eraan toe. "Als je het materiaal zo kunt afstemmen dat deze elektronische toestanden in de buurt van het Fermi-niveau kunnen ontstaan, bijvoorbeeld door spanning of chemische doping, kunnen deze momenten mogelijk aanleiding geven tot orbitaal magnetisme dat ook door andere experimentele sondes kan worden gedetecteerd, en mogelijk nuttig is voor neerwaartse bewegingen." -the-line-toepassingen in apparaten."