I fasta material härrör magnetism i allmänhet från inriktningen av elektronsnurr. Till exempel, i ferromagnetjärnet, är den totala nettomagnetiseringen föranledd av inriktningen av spinn i samma riktning.
Under de senaste åren har fysiker och materialvetare identifierat material där magnetism uppstår på olika sätt, på grund av topologiska faktorer. Många studier har sedan dess syftat till att upptäcka nya material som uppvisar dessa okonventionella former av magnetism.
Forskare vid Boston College, University of California Santa Barbara, University of Wurzburg och andra institut observerade nyligen magnetism av topologiskt ursprung i en kagomemetall med två skikt, nämligen TbV6 Sn6 . Deras artikel, publicerad i Nature Physics , avslöjade en kolossal orbital Zeeman-effekt förstärkt av Spin Berry-kurvatur i TbV6 Sn6 .
"I vissa nya material kan magnetism uppstå på andra sätt, till exempel från topologin hos elektroniska band," berättade Ilija Zeljkovic, medförfattare till tidningen, till Phys.org.
"Vissa elektroniska tillstånd kan förvärva en egenskap som kallas Berry curvature, vilket i sin tur kan leda till orbitala magnetiska moment förknippade med särskilda elektroniska tillstånd. Intressant nog kan sådana orbitala magnetiska moment vara enorma, mycket större än för ett individuellt spinn."
Huvudsyftet med den senaste studien av Zeljkovic och hans kollegor var att undersöka de speciella omloppsmoment som rapporterats i tidigare arbeten, särskilt i kagome-materialet TbV6 Sn6 . Dessutom hoppades de att bättre förstå hur dessa ögonblick reagerade på magnetfält.
"Kagome-material i allmänhet har föreslagits att uppvisa dessa på grund av gittrets geometri som naturligt kan ge upphov till topologiska dispersionsfria platta band och Dirac-punkter, speciella punkter där linjärt spridda band korsar," sa Zeljkovic. "Bärkrökning och spin-Berry-krökning tenderar att vara betydande nära Dirac-punkter om Dirac-punkten är gapad, vilket leder till stora magnetiska orbitala moment och underlättar deras observation."
Forskarna undersökte deras TbV6 Sn6 prov med en teknik som kallas scanning tunneling mikroskopi och spektroskopi (STM/S). Denna teknik innebär att man använder en vass metallisk spets placerad nära provets yta (dvs inom några Ångström) för att mäta tunnelströmmen som en funktion av spetsens position.
"Tunnelströmmen innehåller information om den elektroniska densiteten av tillstånd (DOS), eller hur många elektroniska tillstånd vi har tillgängliga vid en given energi för elektronerna att ockupera," förklarade Zeljkovic. "Vi utförde rumslig spektroskopisk kartläggning av DOS med STM för att kartlägga elektroniska tillstånd som en funktion av energi och momentum."
Zeljkovic och hans kollegor upprepade därefter samma experiment med fokus på magnetfält, med syftet att avslöja utvecklingen av dessa elektroniska tillstånd i magnetfält. Detta andra experiment tillät dem slutligen att extrahera de orbitala magnetiska momenten som är associerade med individuella elektroniska tillstånd.
"Vi fann att orbitala magnetiska moment nära Dirac-punkten är hundratals gånger större än de av magnetiska moment som är associerade med elektronspin," sa Zeljkovic. "Vi visualiserade också hur de degenererade elektroniska tillstånden med motsatt Spin Berry-krökning deformeras i magnetfält i motsatta riktningar, ett fenomen som vi kallar orbital Zeeman-splittring."
Forskarna observerade att splittringen av elektronbandets degeneration i deras prov var förvånansvärt stor, och dess storlek var rotad i dess stora underliggande spinn-Berry-kurvatur. Deras experimentella resultat bekräftades senare av en serie teoretiska beräkningar.
Det senaste arbetet av detta team av forskare samlade intressanta insikter om okonventionella magnetiska tillstånd av topologiskt ursprung. I framtiden kan deras resultat inspirera till ytterligare forskningsansträngningar för att undersöka andra stora magnetiska moment i omloppsbanan som drivs av Berry-kurvaturen, såsom de som tidigare observerats i vissa grafenbaserade strukturer.
"I materialet vi undersökte är stora magnetiska moment i omloppsbanan associerade med tillstånd borta från Fermi-nivån," tillade Zeljkovic. "Om man kan ställa in materialet så att dessa elektroniska tillstånd kan uppstå nära Fermi-nivån, genom till exempel belastning eller kemisk dopning, kan dessa moment potentiellt ge upphov till orbital magnetism som kan detekteras av andra experimentella sonder också, och potentiellt användbara för ned -the-line applikationer i enheter."
