Antiferromagnetisk (överst) och kantad-antiferromagnetisk ordning (nederst). I det senare fallet är snurren snedställda relativt den lätta c-axeln, vilket leder till ett ferromagnetiskt bidrag i planet vinkelrät mot den axeln (representerad av gröna pilar). Kredit:ETH Zürich/D-PHYS
Material som kombinerar topologiska elektroniska egenskaper och kvantmagnetism är av stort intresse för den kvantfysik för många kroppar de uppvisar och för möjliga tillämpningar i elektroniska komponenter. ETH-fysiker har nu etablerat den mikroskopiska mekanismen som kopplar samman magnetism och elektronisk bandtopologi för ett sådant material.
Dirac-materia är en spännande klass av material med intressanta egenskaper:Elektroner i dessa material beter sig som om de inte har någon massa. Det mest framträdande Dirac-materialet är grafen, men andra har upptäckts under de senaste 15 åren. Var och en fungerar som en rik lekplats för att utforska exotiska elektroniska beteenden, varav några skulle kunna möjliggöra nya komponenter för elektronik.
Dock, det finns bara mycket få exempel där topologin för de elektroniska banden på ett väldefinierat sätt är kopplad till materialens magnetiska egenskaper. Ett material där ett sådant samspel mellan topologiska elektroniska tillstånd och magnetism har observerats är CaMnBi 2 , men mekanismen som förbinder de två förblev oklar. Skriver in Fysiska granskningsbrev , postdoc Run Yang och Ph.D. student Matteo Corasaniti från den optiska spektroskopigruppen av prof. Leonardo Degiorgi vid Laboratory for Solid State Physics vid ETH Zürich, arbeta med kollegor vid Brookhaven National Laboratory (USA) och den kinesiska vetenskapsakademin i Peking, rapportera nu en omfattande studie som ger tydliga bevis för att en liten knuff på de magnetiska momenten, känd som spin canting, framkallar betydande förändringar i den elektroniska bandstrukturen.
CaMnBi 2 och den besläktade föreningen SrMnBi 2 visa kvantmagnetism - manganjonerna är antiferromagnetiskt ordnade vid omkring rumstemperatur och lägre - och samtidigt, de är värd för Dirac-elektroner. Att det finns ett samspel mellan de två fastigheterna har misstänkts, som vid ~50 K, det uppstår en oväntad "bula" i ledningsegenskaperna i dessa material. Men den exakta karaktären av denna anomali var dåligt förstådd förrän nu.
I tidigare arbete med att studera optiska egenskaper, Corasaniti, Yang och medarbetare hade redan etablerat en länk till materialets elektroniska egenskaper. De utnyttjade det faktum att den guppliknande anomin i transportegenskaperna kan ändras i temperatur genom att ersätta några av kalciumatomerna med natrium. För att bestämma det mikroskopiska ursprunget för det observerade beteendet, de studerade prover med olika natriumdopningar genom vridmomentmagnetometri. I denna teknik, vridmomentet på ett magnetiskt prov mäts när det utsätts för ett lämpligt starkt fält, analogt med en kompassnål som är i linje med jordens magnetfält. Detta tillvägagångssätt pekade teamet på ursprunget till anomalien.
En fast koppling mellan magnetiska och elektroniska egenskaper
I sina experiment med magnetiskt vridmoment, forskarna fann att vid temperaturer där ingen anomali observeras i de elektroniska transportmätningarna, det magnetiska beteendet liknar en antiferromagnet. Dock, vid temperaturer vid vilka anomalien manifesterar sig, en ferromagnetisk komponent dök upp, vilket kan förklaras av en projektion av magnetiska moment på planet vinkelrätt mot den lätta spinn-c-axeln av den ursprungliga antiferromagnetiska ordningen (se figur). Detta fenomen är känt som spin canting, inducerad av en så kallad super-utbytesmekanism.
Dessa två uppsättningar experiment - de optiska mätningarna och vridmomentmätningarna - stöddes av dedikerade beräkningar av första principerna. Särskilt, för det fall där spinnkantning ingick i beräkningarna, en märklig hybridisering mellan mangan- och vismutatomerna visade sig förmedla den magnetiska mellanskiktskopplingen och styra de elektroniska egenskaperna i materialet. Tagen tillsammans, studien etablerar en direkt koppling mellan de magnetiska egenskaperna och förändringar i den elektroniska bandstrukturen, återspeglas i oregelbundenhet hos transportegenskaperna.
Dessa fynd öppnar dörren till att utforska de elektroniska egenskaperna hos CaMnBi 2 och relaterade föreningar, samt de möjligheter som uppstår genom sambandet mellan magnetiska egenskaper och topologiska tillstånd i dessa spännande materiaformer.
