Med sitt namn från ett invecklat japanskt korgmönster, kagome-magneter tros ha elektroniska egenskaper som kan vara värdefulla för framtida kvantenheter och applikationer. Teorier förutspår att vissa elektroner i dessa material har exotiska, så kallade topologiska beteenden och andra beter sig ungefär som grafen, ett annat material uppskattat för sin potential för nya typer av elektronik.

Nu, ett internationellt team ledd av forskare vid Princeton University har observerat att en del av elektronerna i dessa magneter beter sig kollektivt, som en nästan oändligt massiv elektron som är konstigt magnetisk, snarare än som enskilda partiklar. Studien publicerades i tidskriften Naturfysik Denna vecka.

Teamet visade också att placering av kagomemagneten i ett högt magnetfält gör att magnetismens riktning vänds. Denna "negativa magnetism" liknar att ha en kompass som pekar söderut istället för norr, eller en kylskåpsmagnet som plötsligt vägrar att fastna.

"Vi har letat efter supermassiva "plattbandselektroner" som fortfarande kan leda elektricitet under lång tid, och äntligen har vi hittat dem, sade M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde laget. "I detta system, vi fann också att på grund av en intern kvantfaseffekt, en del elektroner ställer upp mitt emot magnetfältet, producerar negativ magnetism."

Teamet utforskade hur atomer arrangerade i ett kagomemönster i en kristall ger upphov till konstiga elektroniska egenskaper som kan ha verkliga fördelar, såsom supraledning, som låter elektriciteten flöda utan förlust som värme, eller magnetism som kan styras på kvantnivå för användning i framtida elektronik.

Forskarna använde state-of-the-art scanning tunneling mikroskopi och spektroskopi (STM/S) för att titta på beteendet hos elektroner i en kagome-mönstrad kristall gjord av kobolt och tenn, inklämd mellan två lager av svavelatomer, som ytterligare är inklämda mellan två lager av tenn.

I kagome-lagret, koboltatomerna bildar trianglar runt en hexagon med en tennatom i mitten. Denna geometri tvingar elektronerna till några obekväma positioner - vilket leder till att denna typ av material kallas en "frustrerad magnet".

För att utforska elektronbeteendet i denna struktur, forskarna hackade de översta lagren för att avslöja kagome-lagret under.

De använde sedan STM/S-tekniken för att detektera varje elektrons energiprofil, eller bandstruktur. Bandstrukturen beskriver omfånget av energier en elektron kan ha i en kristall, och förklarar, till exempel, varför vissa material leder elektricitet och andra är isolatorer. Forskarna fann att några av elektronerna i kagomelagret har en bandstruktur som, snarare än att vara böjd som i de flesta material, är platt.

En platt bandstruktur indikerar att elektronerna har en effektiv massa som är så stor att den är nästan oändlig. I ett sådant tillstånd, partiklarna verkar kollektivt snarare än som individuella partiklar.

Teorier har länge förutspått att kagome-mönstret skulle skapa en platt bandstruktur, men denna studie är den första experimentella upptäckten av en plattbandselektron i ett sådant system.

En av de allmänna förutsägelserna som följer är att ett material med ett platt band kan uppvisa negativ magnetism.

Verkligen, i den aktuella studien, när forskarna applicerade ett starkt magnetfält, några av kagomemagnetens elektroner pekade i motsatt riktning.

"Oavsett om fältet applicerades uppåt eller nedåt, elektronernas energi vände åt samma håll, det var det första som var konstigt med tanke på experimenten, " sa Songtian Sonia Zhang, en doktorand i fysik och en av tre medförfattare på tidningen.

"Det förbryllade oss i ungefär tre månader, " sa Jia-Xin Yin, en postdoktoral forskarassistent och en annan medförstaförfattare på studien. "Vi letade efter orsaken, och med våra medarbetare insåg vi att detta var det första experimentella beviset på att denna platta bandtopp i kagomegittret har ett negativt magnetiskt moment."

Forskarna fann att den negativa magnetismen uppstår på grund av förhållandet mellan kagomes platta band, ett kvantfenomen som kallas spin-omloppskoppling, magnetism och en kvantfaktor som kallas Berry curvature field. Spin-omloppskoppling hänvisar till en situation där en elektrons spinn, som i sig är en kvantegenskap hos elektroner, blir kopplad till elektronens omloppsrotation. Kombinationen av spin-orbital koppling och materialets magnetiska natur leder till att alla elektroner beter sig i låssteg, som en jättelik partikel.

Ett annat spännande beteende som uppstår från de tätt kopplade spin-omloppsinteraktionerna är uppkomsten av topologiska beteenden. Ämnet för 2016 års Nobelpris i fysik, topologiska material kan ha elektroner som flödar utan motstånd på sina ytor och är ett aktivt forskningsområde. Kobolt-tenn-svavelmaterialet är ett exempel på ett topologiskt system.

Tvådimensionella mönstrade gitter kan ha andra önskvärda typer av elektronkonduktans. Till exempel, grafen är ett mönster av kolatomer som har skapat stort intresse för dess elektroniska tillämpningar under de senaste två decennierna. Kagomegittrets bandstruktur ger upphov till elektroner som beter sig på samma sätt som de i grafen.

Studien, "Negativ flatbandsmagnetism i en spin-orbit-kopplad korrelerad kagomemagnet, " av Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilja Belopolski, Nana Shumiya, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Shuang Jia, Hechang Lei och M. Zahid Hasan, publicerades online 18 februari, 2019 i tidningen Naturfysik .