In het steeds evoluerende landschap van de fysica van de gecondenseerde materie is een recente doorbraak ontstaan ​​dankzij de gezamenlijke inspanningen van onderzoekers van het Peter Grünberg Instituut (PGI-1), de École Polytechnique Fédérale de Lausanne, het Paul Scherrer Institut in Zwitserland en het Jülich Center for Neutronenwetenschap (JCNS).

Dit synergetische werk, aangestuurd door het trio Manuel dos Santos Dias, Nikolaos Biniskos en Flaviano dos Santos en geleid door Stefan Blügel, Thomas Brückel en Samir Lounis, heeft zich verdiept in onontgonnen magnonische eigenschappen binnen Mn₅ Ge₃ , een driedimensionaal ferromagnetisch materiaal.

Topologie, een concept dat cruciaal is in de hedendaagse natuurkunde, heeft al een transformerende rol gespeeld bij het begrijpen van elektronen in vaste stoffen. Van kwantum Hall-effecten tot topologische isolatoren:de invloed van topologie is verreikend. In deze context is de focus verschoven naar magnonen – collectieve precessie van magnetische momenten – als potentiële dragers van topologische effecten. Magnonen, die bosonen zijn, kunnen unieke verschijnselen vertonen die lijken op hun fermionische tegenhangers.

Het onderzoeksteam wilde de magnonische eigenschappen van Mn₅ onderzoeken Ge₃ , een 3D centrosymmetrische ferromagneet. Door een combinatie van dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen, spinmodelsimulaties en neutronenverstrooiingsexperimenten hebben ze de ongebruikelijke magnonbandstructuur van het materiaal ontrafeld.

De centrale onthulling was het bestaan ​​van Dirac-magnonen met een energiekloof, een fenomeen dat wordt toegeschreven aan Dzyaloshinskii-Moriya-interacties. Deze interactie, geïdentificeerd in het materiaal, is verantwoordelijk voor het creëren van een gat in het magnonspectrum.

De instelbaarheid van de opening door de magnetisatierichting te draaien met behulp van een aangelegd magnetisch veld karakteriseert Mn₅ Ge₃ als een driedimensionaal materiaal met Dirac-magnonen met openingen. Deze kloof, theoretisch verklaard en experimenteel aangetoond, onderstreepte de topologische aard van Mn₅ Ge₃ 's magnonen.

De bevindingen van het onderzoeksteam dragen niet alleen bij aan het fundamentele begrip van topologische magnonen, maar benadrukken ook Mn₅ Ge₃ als potentiële game-changer op het gebied van magnetische materialen.

Het ingewikkelde samenspel van factoren onthuld in Mn₅ Ge₃ opent nieuwe wegen voor het ontwerpen van materialen met op maat gemaakte magnetische eigenschappen. Omdat de magnetische eigenschappen van het materiaal nauwkeurig kunnen worden afgestemd, wordt het vooruitzicht om deze topologische magnonen te integreren in nieuwe apparaatconcepten voor praktische toepassingen steeds haalbaarder.

Terwijl de wetenschappelijke gemeenschap de grenzen van de fysica van de gecondenseerde materie blijft verkennen, markeert deze studie een belangrijke mijlpaal in het ontrafelen van de mysteries van magnetische materialen. De implicatie van het onderzoek vergroot niet alleen ons begrip van magnonen, maar maakt ook de weg vrij voor het benutten van hun unieke kwantumeigenschappen in toekomstige technologieën.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Meer informatie: M. dos Santos Dias et al, Topologische magnonen aangedreven door de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie in de centrosymmetrische ferromagneet Mn5Ge3, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43042-3

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Forschungszentrum Juelich