Genom att arbeta med ett kvantmaterial känt som en kagomemagnet, har ett team av fysiker och kollegor från Boston College direkt mätt hur individuella elektroniska kvanttillstånd i det nya materialet reagerar på externa magnetfält genom att förskjuta energi på ett ovanligt sätt, rapporterar forskarna i den senaste onlineupplagan av tidskriften Nature Physics .

Mätningarna som genereras av projektet är de första i sitt slag för att direkt mäta den momentumupplösta, fältinducerade utvecklingen av dessa kvanttillstånd, enligt teamet, som samarbetade med forskare vid Renmin University i Peking, Kina.

Fynden erbjöd den första experimentella demonstrationen av teoretiska förutsägelser om hur elektronisk bandstruktur kan förändras i dessa nya material, i detta fall enkla kristaller av yttriummangan tenn YMn₆ Sn₆ , enligt Boston College docent i fysik Ilija Zeljkovic, medförfattare till rapporten.

"När ett magnetfält appliceras på ett material kan den elektroniska bandstrukturen - som är en samling av kvanttillstånd som elektroner i fasta ämnen kan uppta - förändras på ovanliga sätt," sa Zeljkovic. "Dessa förändringar har hittills härletts från teoretiska beräkningar eller nås indirekt från fältinducerade förändringar i makroskopiska mätbara egenskaper. Direkt mätning av fältinducerade förändringar i den elektroniska bandstrukturen har varit svåra att mäta."

Teamet övervann de experimentella utmaningarna med att studera materialet genom spektroskopisk avbildningsskanning tunnelmikroskopi. Kagome-magneter, som YMn₆ Sn₆ som studerats av teamet, heter så eftersom de har magnetisk struktur och ett atomgitter som liknar japanska "kagome" vävda korgar.

Kagome-magneter har så kallade Dirac-fermioner, som Zeljkovic förklarade är kvasipartiklar som kännetecknas av noll massa och en linjär spridning av energimomentum i elektronisk bandstruktur som liknar relativistiska partiklar.

Teoretiska fysiker som Zeljkovics kollega och medförfattare, Boston College professor i fysik Ziqiang Wang, har matematiskt visat att Dirac-fermioner kan utvecklas – ur energi och momentum – som svar på ett magnetfält. Teamet satte sig för att testa dessa förutsägelser, sa Zeljkovic.

Teamet fann att kvanttillstånd associerade med Dirac-fermioner reagerar starkt på magnetfält och skiftar till högre energier oavsett fältets riktning, enligt Nature Physics rapport, som har titeln "Manipulation of Dirac band curvature and momentum-dependent g-factor in a kagome magnet."

"Intressant nog uppvisar de en momentumberoende förskjutning - för ett inställt magnetfält skiftar kvanttillstånd nära Dirac-punkten mest; förskjutningen blir gradvis mindre bort från Dirac-punkten," sa Zeljkovic. Dirac-punkten är en punkt i energi-momentum-rymden där lednings- och valensband berörs.

Zeljkovic sa att förväntningarna var att systemet utan magnetfält skulle vara värd för masslösa - eller noll massa - Dirac-fermioner baserat på orienteringen av spinn som ligger i första hand i planet. Istället gjorde teamet den överraskande observationen att Dirac-fermioner i detta material vid nollfält har ändlig massa. Varför detta inträffade kommer att vara en fråga för teoretiker att utforska ytterligare.

Ur en experimentell synvinkel sa Zeljkovic att det finns många ytterligare frågor att lösa baserat på dessa fynd. Specifikt finns det flera konkurrerande effekter som kan leda till en momentumberoende bandutveckling, som involverar elektronspin och orbitala frihetsgrader.

Speciellt orbital magnetism, en egenskap som nyligen har skapat uppmärksamhet och spänning bland forskare som studerar "vridna" van der Waals-strukturer, är en av de extremt spännande möjligheterna, sa Zeljkovic.

"Våra framtida experiment kommer att fokusera på att reda ut olika bidrag och att undersöka orbital magnetism i denna och relaterade kagome-magneter," tillade Zeljkovic. + Utforska vidare

En kagomegittersupraledare avslöjar en "kaskad" av kvantelektrontillstånd