Sedan 2016 har ett team av MIT -forskare bestående av doktorander Linda Ye och Min Gu Kang, docent i fysik Joseph G. Checkelsky, och klass 1947 Karriärutvecklingsassistent i fysik Riccardo Comin har fokuserat på att utforska den elektroniska strukturen som uppstår när atomer av järn (Fe) och tenn (Sn) kombineras i upprepade mönster som ser ut som japanska kagomkorgar, eller Davidstjärnan. Det elektroniska beteendet hos dessa kristallina "kagome" strukturer varierar med förhållandet mellan järn och tennatomer, vanligtvis tre till två eller tre till ett.

Förra året, medlemmarna i MIT -teamet och deras kollegor rapporterade att Fe ₃ Sn ₂ , en förening med ett förhållande mellan tre och två av järn till tenn, genererar Dirac fermioner - en speciell typ av elektroniskt tillstånd där elektronens snurr och elektronens bana är kopplade till varandra. Detta speciella tillstånd av elektronrörelse skyddas av topologin, eller geometrisk struktur, av kristallen.

Järn-tennföreningar är av särskilt intresse eftersom den naturliga magnetismen hos järnatomer ytterligare påverkar deras elektroniska beteende, i synnerhet orsakar snurren hos närliggande elektroner att växla i motsatta riktningar (medurs eller moturs), som kallas antiferromagnetism. I en rapport som publicerades 9 december Naturmaterial , dessa forskare och 18 medförfattare i USA och på andra håll finner att i en till en järn-tennförening, Kagomegitterets symmetri är speciell, samtidigt värd för både oändligt lätta masslösa partiklar (kallade Dirac fermioner) och oändligt tunga partiklar (som experimentellt manifesterar sig som platta band i materialets elektroniska struktur).

"Vår studie kombinerar olika fysikområden (topologi, magnetism, och starkt korrelerade elektroner) i en enda plattform av idealiska kagomemetaller, "säger medförfattaren Min Gu Kang, en doktorand i fysik. "Vi tror att utnyttjandet av det rika och unika elektroniska spektrumet av FeSn kan vara grunden för nya topologiska faser och spintronic -enheter."

Experimentellt att förverkliga denna speciella elektroniska bandstruktur var särskilt svårt eftersom, i riktiga kagomföreningar, interferens med ett "idealiskt" gitter kommer från elektroner som interagerar mellan skikt, elektroner som hoppar till närmaste grannatomer, och varje elektronens multipla frihetsgrader. Så sent som 2014, Prof.

Ett genombrott i det aktuella arbetet var syntesen av en till en förening FeSn. Strukturen för denna järn-tennförening skiljer sig från tidigare studerade kagomföreningar, eftersom varje järn-tennskikt med en kagomstruktur är väl åtskilt av ett distansskikt som enbart består av tennatomer. I denna struktur, varje kagomskikt av järn-tenn beter sig som ett tvådimensionellt kagomskikt i den tredimensionella kagomkristallen, sätta scenen för att förverkliga en idealisk kagome bandstruktur.

Forskarna bekräftade sina fynd om den elektroniska strukturen hos ett till ett järntenn genom att kombinera två kompletterande elektroniska struktursonder:vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) och de Haas-van Alphen kvantoscillationsexperiment. Doktorander Kang och Abraham L. Levitan i Riccardo Comins grupp genomförde ARPES -experimenten vid Advanced Light Source i Berkeley, Kalifornien, och doktoranden Linda Ye i Joe Checkelskys grupp utförde de Haas-van Alphen kvantoscillationsexperiment vid National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida, och Los Alamos, New Mexico.

Deras foton- och polarisationsberoende ARPES-experiment visar otvetydigt samtidigt att både Dirac fermioner och platta band uppstår nära Fermi-energin, säger forskarna. "Detta inser till fullo de eftertraktade elektroniska kagome-strukturerna, och höjer FeSn som den första "ideala" kagomemetallen, "Säger Kang.

På grund av de kontrasterande skikten i ett till ett järn-tenn-lager av järn och tennatomer strukturerade i ett "sheriff star-type" eller "kagome" -mönster alternerande med endast tennatomer-upptäckte forskarna en annan unik aspekt av detta material . När materialet skärs igenom, den nya ytan som avslöjas beter sig annorlunda oavsett om den exponerar ett tennskikt eller ett järn-tennskikt. Denna olika ytelektroniska struktur bekräftades av den mikrofokuserade fotonstrålen från MAESTRO-strållinjen vid den avancerade ljuskällan. Denna kombination av tvådimensionella och tredimensionella elektroniska beteenden i ett enda material kan utnyttjas för att konstruera snabbkopplande/lågeffektspintroniska enheter, snurra superledare, och en högtemperaturkvantavvikande Hall-effekt, säger forskarna.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.