I det ständigt föränderliga landskapet av kondenserad materiens fysik har ett nyligen genomfört genombrott uppstått genom de samarbetsinsatser som gjorts av forskare vid Peter Grünberg Institute (PGI-1), École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Paul Scherrer Institut i Schweiz och Jülich Center for Neutronvetenskap (JCNS).
Detta synergetiska arbete, som drivs av trion Manuel dos Santos Dias, Nikolaos Biniskos och Flaviano dos Santos och leds av Stefan Blügel, Thomas Brückel och Samir Lounis, har grävt i outforskade magnoniska egenskaper inom Mn5 Ge3 , ett tredimensionellt ferromagnetiskt material.
Topologi, ett centralt begrepp inom samtida fysik, har redan spelat en transformerande roll för att förstå elektroner i fasta ämnen. Från kvanthalleffekter till topologiska isolatorer är inverkan av topologi långtgående. I detta sammanhang har fokus flyttats till magnoner – kollektiv precession av magnetiska moment – som potentiella bärare av topologiska effekter. Magnoner, som är bosoner, kan uppvisa unika fenomen som liknar sina fermioniska motsvarigheter.
Forskargruppen hade som mål att utforska de magnoniska egenskaperna hos Mn5 Ge3 , en 3D-centrosymmetrisk ferromagnet. Genom en kombination av beräkningar av densitetsfunktionsteori, spinnmodellsimuleringar och neutronspridningsexperiment, avslöjade de materialets ovanliga magnonbandstruktur.
Den centrala uppenbarelsen var förekomsten av Dirac-magnoner med ett energigap, ett fenomen som tillskrivs Dzyaloshinskii-Moriya-interaktioner. Denna interaktion, identifierad i materialet, är ansvarig för att skapa en lucka i magnonspektrumet.
Justerbarheten av gapet genom att rotera magnetiseringsriktningen med användning av ett applicerat magnetfält kännetecknar Mn5 Ge3 som ett tredimensionellt material med gapade Dirac-magnoner. Denna lucka, teoretiskt förklarad och experimentellt demonstrerad, underströk den topologiska naturen hos Mn5 Ge3 s magnons.
Forskargruppens resultat bidrar inte bara till den grundläggande förståelsen av topologiska magnoner utan lyfter också fram Mn5 Ge3 som en potentiell spelväxlare inom magnetiska material.
Det komplicerade samspelet mellan faktorer som avslöjas i Mn5 Ge3 öppnar nya vägar för att designa material med skräddarsydda magnetiska egenskaper. Eftersom materialets magnetiska egenskaper kan finjusteras, blir möjligheten att integrera dessa topologiska magnoner i nya enhetskoncept för praktiska tillämpningar allt mer genomförbara.
När det vetenskapliga samfundet fortsätter att utforska gränserna för den kondenserade materiens fysik, markerar denna studie en betydande milstolpe i att reda ut mysterierna med magnetiska material. Implikationen av forskningen utökar inte bara vår förståelse av magnoner utan banar också väg för att utnyttja deras unika kvantegenskaper i framtida teknologier.
Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications .
Mer information: M. dos Santos Dias et al, Topologiska magnoner drivna av Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen i den centrosymmetriska ferromagneten Mn5Ge3, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43042-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Forschungszentrum Juelich
