Fysiker har upptäckt ett material där atomer är ordnade på ett sätt som så frustrerar elektronernas rörelse att de deltar i en kollektiv dans där deras elektroniska och magnetiska natur verkar både konkurrera och samarbeta på oväntade sätt.

Under ledning av fysiker från Rice University publicerades forskningen online idag i Nature . I experiment vid Rice, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), University of Washington (UW), Princeton University och University of California, Berkeley, studerade forskare rent järn-germanium kristaller och upptäckte stående vågor av flytande elektroner dök upp spontant i kristallerna när de kyldes till en kritiskt låg temperatur. Spännande nog uppstod laddningstäthetsvågorna medan materialet var i ett magnetiskt tillstånd, till vilket det hade övergått vid en högre temperatur.

"En laddningstäthetsvåg uppstår vanligtvis i material som inte har någon magnetism", säger studiens med-motsvarande författare Pengcheng Dai från Rice. "Material som har både en laddningstäthetsvåg och magnetism är faktiskt sällsynta. Ännu mer sällsynta är de där laddningstäthetsvågen och magnetismen "pratar" med varandra, som de verkar göra i det här fallet."

"Vanligtvis inträffar laddningstäthetsvågen samtidigt med magnetism eller vid en högre temperatur än den magnetiska övergången," sa han. "Det här speciella fallet verkar vara speciellt, eftersom laddningstäthetsvågen faktiskt inträffar vid en temperatur som är mycket lägre än magnetism. Vi känner inte till något annat exempel där detta faktiskt händer i ett material som detta, som har ett kagomegitter. Det tyder på att det kan vara relaterat till magnetismen."

Järn-germanium-kristallerna som användes i experimenten odlades i Dais labb och har ett distinkt arrangemang av atomer i deras kristallgitter som påminner om mönstren som finns i japanska kagome-korgar. Liksidiga trianglar i gittret tvingar elektroner att interagera, och eftersom de avskyr att vara nära varandra, hindrar denna forcering deras rörelser. Forceringen ökar när temperaturen sjunker, vilket ger upphov till kollektiva beteenden som laddningstäthetsvågen.

Studien medförfattare Ming Yi, också från Rice, säger att "laddningstäthetsvågen är som vågor som bildas på havets yta. Den bildas bara när förhållandena är rätt. I det här fallet observerade vi det när en unik egenskap i form av en sadel dök upp i kvanttillstånden som elektronerna får leva i. Sambandet med magnetisk ordning är att denna laddningstäthetsvåg bara uppstår när magnetismen får sadeln att dyka upp. Det är vår hypotes."

Experimenten ger en lockande glimt av egenskaperna fysiker kommer att hitta i kvantmaterial som har både topologiska egenskaper och de som härrör från starkt korrelerade elektroninteraktioner.

I topologiska material producerar mönster av kvantintrassling "skyddade" tillstånd som inte kan raderas. Den oföränderliga naturen hos topologiska tillstånd är av ökande intresse för kvantberäkning och spintronik. De tidigaste topologiska materialen var icke-ledande isolatorer vars skyddade tillstånd gjorde det möjligt för dem att leda elektricitet på begränsade sätt, som på 2D-ytor eller längs 1D-kanter.

"Tidigare var topologiska material typer som var mycket svagt korrelerade", säger Yi, biträdande professor i fysik och astronomi vid Rice. "Människor använde dessa material för att verkligen förstå topologin hos kvantmaterial, men utmaningen nu är att hitta material där vi kan dra fördel av både topologiska tillstånd och starka elektronkorrelationer."

I starkt korrelerade material ger växelverkan mellan miljarder på miljarder elektroner upphov till kollektiva beteenden som okonventionell supraledning eller de ständiga fluktuationerna mellan magnetiska tillstånd i kvantspinnvätskor.

"För svagt korrelerade material som de ursprungliga topologiska isolatorerna fungerar första principberäkningar riktigt bra," sa Yi. "Bara baserat på hur atomerna är ordnade kan du beräkna vilken typ av bandstruktur du kan förvänta dig. Det finns en riktigt bra väg ur ett materialdesignperspektiv. Du kan till och med förutsäga materialens topologi."

"Men starkt korrelerade material är mer utmanande," sa hon. "Det finns en brist på koppling mellan teori och mätning. Så det är inte bara svårt att hitta material som är både starkt korrelerade och topologiska, men när du hittar dem och mäter dem är det också väldigt svårt att koppla ihop det du mäter. med en teoretisk modell som förklarar vad som händer."

Yi och Dai sa att kagomegittermaterial kunde ge en väg framåt.

"Vid någon tidpunkt vill du kunna säga," Jag vill göra ett material med speciella beteenden och egenskaper," sa Yi. "Jag tror att kagome är en bra plattform mot den riktningen, eftersom det finns sätt att göra direkta förutsägelser, baserat på kristallstrukturen, om vilken typ av bandstruktur du kommer att få och därför om de fenomen som kan uppstå baserat på den bandstrukturen. Den har många av de rätta ingredienserna." + Utforska vidare

Nyupptäckta magnetiska interaktioner kan leda till nya sätt att manipulera elektronflödet