Ottenere una migliore comprensione delle topologie di banda elettronica attraverso i materiali Dirac Matter

14 ore fa p Luke James Questi materiali, noti come materiali Dirac, hanno attirato un grande interesse da parte dei ricercatori, in particolare per la fisica quantistica a molti corpi che probabilmente si svolgerà in essi e anche per potenziali applicazioni nell'elettronica. Pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, la ricerca del team è descritta da Run Yang, postdoc, e Matteo Corasaniti, studente di dottorato del gruppo di spettroscopia ottica del professor Leonardo Degiorgi presso il Laboratory for Solid State Physics. Il progetto di ricerca è stato condotto in collaborazione con collaboratori dell'Accademia cinese delle scienze e del laboratorio nazionale Brookhaven. La materia di Dirac è un termine che si riferisce a una classe di sistemi di materia condensata che può essere descritta dall'equazione di Dirac, un'equazione relativistica che descrive il comportamento di una particella carica massiccia. Essenzialmente, è l'equazione dell'onda di Schrödinger con la relatività generata I materiali della materia Dirac presentano proprietà insolite, come gli elettroni che agiscono come se non avessero massa e includono grafene, isolanti topologici, dichalcogenides dei metalli di transizione e semimetalli di Dirac. Questi materiali Dirac sono una classe di nanomateriali funzionali complessi che dovrebbero avere applicazioni utili nella prossima generazione di elettronica.
Le loro proprietà, che non si trovano negli attuali materiali elettronici, si verificano a causa di forti legami tra spin, carica e struttura che teoricamente consente lo sviluppo di compositi magnetici o superconduttori. Sebbene la materia di Dirac e altri materiali topologici siano alcuni dei sistemi di materia condensata oggi maggiormente studiati, ci sono solo alcuni esempi in cui la topologia delle bande elettroniche è stata collegata in modo ben definito alle proprietà magnetiche dei materiali. Uno di questi esempi è quello di CaMnBi2, un materiale in cui è stato trovato il legame tra magnetismo e stati elettronici topologici. Secondo le loro ricerche, i fisici dell'ETH di Zurigo offrono la prova che un "lieve colpetto" sulla rotazione degli spin in questo materiale può causare notevoli variazioni nella sua struttura di banda elettronica. Il materiale e il suo composto associato SrMnBi2 hanno suscitato un notevole interesse perché esibiscono magnetismo quantistico. A temperatura ambiente e inferiore, gli ioni manganese in questi composti sono ordinati antiferromagneticamente e ospitano contemporaneamente elettroni di dirac.
Il fatto che si verifichi un'interazione tra le due caratteristiche è stato a lungo ipotizzato, e ciò che è significativo è che si verifica un "bump" imprevisto nelle proprietà di conduzione di questi materiali a circa 50 K. Tuttavia, la natura esatta di questa anomalia non è stata compresa fino ad ora. In studi precedenti condotti su CaMnBi2, in cui i ricercatori dell'ETH avevano esplorato le sue proprietà ottiche, Corasaniti, Yang e colleghi avevano già stabilito un collegamento con le caratteristiche elettroniche del materiale.
In particolare, i ricercatori hanno sfruttato il fatto che l'anomalia simile a una protuberanza che si riscontra nelle proprietà di trasporto può essere cambiata in temperatura sostituendo una frazione degli atomi di calcio con atomi di sodio. Nel tentativo di comprendere le origini minime del comportamento osservato, il team di ricerca ha analizzato campioni con diversi drogaggi di sodio tramite magnetometria di coppia. Usando questo metodo, la coppia su un campione magnetico può essere quantificata esponendolo a un campo appropriatamente potente, proprio come il modo in cui un ago di una bussola si allinea al campo magnetico terrestre.
I ricercatori affermano che questo metodo è riuscito a esporre origini dell'anomalia. Durante gli esperimenti di coppia magnetica, i fisici hanno scoperto che a temperature più basse in cui si verifica l'anomalia, il comportamento magnetico non è più simile a quello che ci si può aspettare da un antiferromagnet. Qui è emersa una componente ferromagnetica che può essere chiarita da una proiezione di momenti magnetici sul piano ortogonale all'asse c di rotazione facile dell'ordine antiferromagnetico iniziale. Questo è noto come spin-canting ed è causato da un super- meccanismo di scambio ..