Som så många mål för vetenskaplig undersökning, den materialklass som kallas kagomemagneten har visat sig vara en källa till både frustration och förvåning. Ytterligare avslöjande av kvantegenskaperna hos kagomemagneten ses som en av de primära utmaningarna inom grundläggande fysik - för både teoretiker och experimenter.

En ovanlig underliggande geometri hos atomarrangemanget är centralt för värdet av dessa material. Kagome-gitter beskrivs som korsande banor av "hörndelande trianglar" och är uppskattade för det unika beteendet hos de genomgående elektronerna, grogrund för studiet av kvantelektroniska tillstånd som beskrivs som frustrerade, korrelerad och topologisk.

En nyligen genomförd studie av en internationell grupp forskare, publicerad i tidningen Natur , fann kagome ferromagnet Fe3Sn2 uppvisar ett elektroniskt tillstånd som ovanligt starkt kopplar till ett applicerat magnetfält som kan roteras för att peka i vilken riktning som helst av ett tredimensionellt utrymme, avslöjar i kvantskalan en "jätte" magnetiseringsdriven elektronisk energiskiftning som äger rum inom materialet.

Det energiförskjutet belyser närvaron av spinn-omloppskoppling och topologiska spinntexturer i kagomegaller, där magnetiska och elektroniska strukturer trasslar ihop och ger ovanlig-ofta tidigare okänd-spinnbana-aktivitet, sade professor i fysik vid Boston College Ziqiang Wang, en medförfattare till rapporten, med titeln "Giant and anisotropic spin-orbit tunability in a strong correlated kagome magnet."

"Vi fick reda på två saker. Den första är att det elektroniska tillståndet för Fe3Sn2 är nematiskt, ett tillstånd som spontant bryter rotationssymmetrin. Elektronerna beter sig som en flytande kristall inuti denna magnet, förmodligen på grund av den starka elektron-elektron-interaktionen, "sa Wang." Det andra vi hittade är att du kan manipulera och göra stora förändringar i elektronenergistrukturen genom att justera den magnetiska strukturen genom att applicera ett magnetfält. "

Wang, en teoretisk fysiker, och doktorand Kun Jiang, Ph.D., som har studerat nya kvantelektroniska tillstånd till följd av samspelet mellan elektron-elektroninteraktion, geometrisk frustration, och topologiska bandstrukturer, gick med experimentalistkollegor som först noterade den ovanliga elektroniska aktiviteten när de studerade materialet med hjälp av skanningstunnelmikroskopi.

Teamet - som inkluderade forskare från BC, Princeton Universitet, Kinesiska vetenskapsakademien, Renmin University, och Peking University-använde STM- och vektormagnetiska fältverktyg för att identifiera kagomferromagnetens kopplade elektroniska egenskaper och utforskade de exotiska fenomenen i den, medan man utför modellering och beräkningar för att ge teoretisk tolkning och förståelse av de observerade fenomenen.

"Vad våra kollegor fann är att genom att ändra magnetfältets riktning, de såg förändringar i de elektroniska tillstånden som är onormalt stora, "sa Wang." Bandens skiftningar - det finns bandgap, förbjudna områden i kvantmekanik där elektroner inte kan bo - dessa regioner kan justeras enormt av det applicerade magnetfältet. "

"Bandskiftet" är en förändring i elektronisk bandstruktur, sa Wang. Det expanderar och minskar bandgapet beroende på magnetfältets riktningar. Kagome ferromagneten visade ett skift cirka 150 gånger större än vanliga material.

Att undersöka interferensmönstren för elektronens kvantmekaniska vågfunktioner avslöjade konsekvent spontan nematicitet-en indikation på viktig elektronkorrelation som orsakar rotationssymmetri-brytning av det elektroniska tillståndet i materialet.

Dessa spinndrivna jätte elektroniska svar indikerade möjligheten till en underliggande korrelerad magnetisk topologisk fas, rapporterade forskarna. Kagomemagnetens avstämning avslöjade ett starkt samspel mellan ett externt applicerat magnetfält och nematicitet, tillhandahålla nya sätt att styra spinnbanaegenskaper och utforska framväxande fenomen i topologiska eller kvantmaterial, skrev laget.

Den gigantiska magnetfältets avstämning av de elektriska egenskaperna kan en dag leda till potentiella tillämpningar i elektroniska enheter, såsom minne och informationslagring och avkänningsteknik, sa Wang.

"Det som är spännande i dessa resultat är möjligheten att förverkliga något användbart, "sa Wang." Detta kommer från mycket grundläggande fysik, men det kan en dag ansluta till applikationer. Vi förstår inte allt, men vi vet nu att detta är ett material som innehåller alla dessa viktiga ingredienser. "