Naukowcy odkrywają nowatorskie właściwości magnetyczne i elektroniczne cienkich warstw magnesów kagome.
Fizycy z Uniwersytetu Rice i ich współpracownicy dokonali odkrycia, które rzuca nowe światło na magnetyzm i interakcje elektroniczne w zaawansowanych materiałach, mogąc potencjalnie przekształcić technologie takie jak obliczenia kwantowe i nadprzewodników wysokotemperaturowych.
Badania zespołu badawczego prowadzone pod kierunkiem Zheng Rena i Ming Yi nad cienkimi warstwami żelaza i cyny (FeSn) zmieniają naukowe rozumienie magnesów kagome – materiałów nazwanych na cześć starożytnego wzór tkania koszyków i ma unikalną konstrukcję przypominającą siatkę, która może powodować niezwykłe zachowania magnetyczne i elektroniczne w wyniku kwantowoniszczącej interferencji funkcji fali elektronicznej.
Wyniki opublikowane w Komunikacja przyrodniczaujawniają, że właściwości magnetyczne FeSn wynikają z obecności zlokalizowanych elektronów, a nie z elektronów mobilnych, o których wcześniej myśleli naukowcy. Odkrycie to podważa istniejące teorie na temat magnetyzmu metali kagome, w których zakładano, że wędrowne elektrony kierują zachowaniem magnetycznym. Zapewniając nowe spojrzenie na magnetyzm, prace zespołu badawczego mogą pomóc w opracowaniu materiałów o dostosowanych właściwościach do zaawansowanych zastosowań technologicznych, takich jak obliczenia kwantowe i nadprzewodniki.
Wpływ na badania nad materiałami kwantowymi
„Oczekuje się, że ta praca pobudzi dalsze badania eksperymentalne i teoretyczne nad pojawiającymi się właściwościami materiałów kwantowych, pogłębiając naszą wiedzę na temat tych zagadkowych materiałów i ich potencjalnych zastosowań w świecie rzeczywistym” – powiedział Yi, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii oraz senior Rice Academy Kolega.
Korzystając z zaawansowanej techniki łączącej epitaksję z wiązek molekularnych i kątowo-rozdzielczą spektroskopię fotoemisyjną, naukowcy stworzyli wysokiej jakości cienkie warstwy FeSn i przeanalizowali ich strukturę elektronową. Odkryli, że nawet w podwyższonych temperaturach płaskie pasma kagome pozostają rozdzielone, co wskazuje, że zlokalizowane elektrony napędzają magnetyzm w materiale. Ten efekt korelacji elektronów dodaje nowy poziom złożoności do zrozumienia, w jaki sposób zachowanie elektronów wpływa na właściwości magnetyczne magnesów kagome.
Selektywna renormalizacja pasm i korelacje elektronów
Badanie ujawniło również, że niektóre orbitale elektronowe wykazywały silniejsze interakcje niż inne, co jest zjawiskiem znanym jako selektywna renormalizacja pasma, obserwowanym wcześniej w nadprzewodnikach na bazie żelaza, co oferuje świeże spojrzenie na wpływ interakcji elektronów na zachowanie magnesów kagome.
„Nasze badanie podkreśla złożoną interakcję między magnetyzmem a korelacjami elektronów w magnesach kagome i sugeruje, że te efekty mają istotny wpływ na kształtowanie ich ogólnego zachowania” – powiedział Ren, młodszy członek Rice Academy.
Oprócz pogłębienia wiedzy na temat FeSn, badania mają szersze implikacje dla materiałów o podobnych właściwościach. Wgląd w płaskie pasma i korelacje elektronów może wpłynąć na rozwój nowych technologii, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe i topologiczne obliczenia kwantowe, w których wzajemne oddziaływanie magnetyzmu i topologicznych pasm płaskich generuje stany kwantowe, które można wykorzystać jako kwantowe bramki logiczne.
Odniesienie: „Trwałe rozszczepianie płaskich pasm i silna selektywna renormalizacja pasma w cienkiej warstwie magnesu kagome” autorstwa Zheng Ren, Jianwei Huang, Hengxin Tan, Ananya Biswas, Aki Pulkkinen, Yichen Zhang, Yaofeng Xie, Ziqin Yue, Lei Chen, Fang Xie, Kevin Allen, Han Wu, Qirui Ren, Anil Rajapitamahuni, Asish K. Kundu, Elio Vescovo, Junichiro Kono, Emilia Morosan, Pengcheng Dai, Jian-Xin Zhu, Qimiao Si, Ján Minár, Binghai Yan i Ming Yi, 30 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53722-3
Do badaczy zajmujących się ryżem, którzy współpracowali przy tym badaniu, zaliczają się współpracownicy i absolwenci Wydziału Fizyki i Astronomii Jianwei Huang, Ananya Biswas, Yichen Zhang, Yaofeng Xie, Ziqin Yue, Lei Chen, Fang Xie, Kevin Allen, Han Wu i Qirui Ren; Junichiro Kono, profesor inżynierii Karla F. Hasselmanna i dyrektor Instytutu Smalley-Curl; Emilia Morosan, profesor fizyki i astronomii, chemii i inżynierii materiałowej oraz nanoinżynierii; Qimiao Si, profesorowie fizyki i astronomii Harry’ego C. i Olgi K. Wiess; oraz Pengcheng Dai, profesor fizyki i astronomii Sama i Helen Worden.
Współpracownicy z całego świata to Hengxin Tan i Binghai Yan z Wydziału Fizyki Materii Skondensowanej w Instytucie Naukowym Weizmanna; Aki Pulkkinen i Ján Minár z Centrum Badań nad Nowymi Technologiami Uniwersytetu Zachodnioczeskiego; Anil Rajapitamahuni, Asish K. Kundu i Elio Vescovo z Narodowego Synchrotronowego Źródła Światła II, Brookhaven National Lab; oraz Jian-Xin Zhu z Wydziału Teoretycznego i Centrum Zintegrowanych Nanotechnologii w Laboratorium Narodowym w Los Alamos.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Fundacja Roberta A. Welcha, Inicjatywa EPiQS Fundacji Gordona i Betty Moore, stypendyści Rice Academy, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych oraz stypendium Vannevar Bush Faculty Fellowship wsparły to badanie.
