Nyupptäckta magnetiska interaktioner i den Kagome skiktade topologiska magneten TbMn₆ Sn₆ kan vara nyckeln till att anpassa hur elektroner flödar genom dessa material. Forskare från det amerikanska energidepartementets Ames National Laboratory och Oak Ridge National Laboratory genomförde en djupgående undersökning av TbMn₆ Sn₆ för att bättre förstå materialet och dess magnetiska egenskaper. Dessa resultat kan påverka framtida tekniska framsteg inom områden som kvantberäkning, magnetiska lagringsmedia och högprecisionssensorer.

Kagomes är en typ av material vars struktur är uppkallad efter en traditionell japansk korgvävningsteknik. Väven producerar ett mönster av hexagoner omgivna av trianglar och vice versa. Arrangemanget av atomerna i Kagome-metaller återger vävmönstret. Denna egenskap gör att elektroner i materialet beter sig på unika sätt.

Fasta material har elektroniska egenskaper som styrs av egenskaperna hos deras elektroniska bandstruktur. Bandstrukturen är starkt beroende av atomgittrets geometri, och ibland kan band uppvisa speciella former såsom koner. Dessa speciella former, kallade topologiska särdrag, är ansvariga för de unika sätt som elektroner beter sig i dessa material. Speciellt Kagome-strukturen leder till komplexa och potentiellt inställbara funktioner i de elektroniska banden.

Använda magnetiska atomer för att konstruera gittret av dessa material, såsom Mn i TbMn₆ Sn₆ , kan ytterligare hjälpa till att inducera topologiska egenskaper. Rob McQueeney, en forskare vid Ames Lab och projektledaren, förklarade att topologiska material "har en speciell egenskap där man under påverkan av magnetism kan få strömmar som flyter på kanten av materialet, som är avledningsfria, vilket innebär att elektroner sprids inte och de sprider inte energi."

Teamet satte sig för att bättre förstå magnetismen i TbMn₆ Sn₆ och använde beräkningar och neutronspridningsdata som samlats in från Oak Ridge Spallation Neutron Source för att genomföra sin analys. Simon Riberolles, en postdoc forskarassistent vid Ames Lab och medlem av projektgruppen, förklarade den experimentella tekniken som laget använde. Tekniken innebär en stråle av neutronpartiklar som används för att testa hur stel den magnetiska ordningen är. "Arten och styrkan hos de olika magnetiska interaktionerna som finns i materialen kan alla kartläggas med den här tekniken," sa han.

De upptäckte att TbMn₆ Sn₆ har konkurrerande interaktioner mellan lagren, eller det som kallas frustrerad magnetism. "Så systemet måste göra en kompromiss," sa McQueeney, "vanligtvis är vad det betyder att om du petar på det kan du få det att göra olika saker. Men vad vi fick reda på i det här materialet är att även om de som tävlar interaktioner finns där, det finns andra interaktioner som är dominerande."

Detta är den första detaljerade undersökningen av de magnetiska egenskaperna hos TbMn₆ Sn₆ att bli publicerad. "Inom forskning är det alltid spännande när du kommer på att du förstår något nytt, eller du mäter något som inte har setts tidigare, eller som har förståtts delvis eller på ett annat sätt," sa Riberolles.

McQueeney och Riberolles förklarade att deras fynd tyder på att materialet potentiellt skulle kunna justeras för specifika magnetiska egenskaper, till exempel genom att ändra Tb för ett annat sällsynt jordartselement, vilket skulle förändra föreningens magnetism. Denna grundläggande forskning banar väg för fortsatta framsteg inom upptäckten av Kagome-metaller.

Denna forskning diskuteras vidare i artikeln publicerad i Physical Review X . + Utforska vidare

Magnetism genererad i organiskt 2D-material genom stjärnliknande arrangemang av molekyler