Аномальные электроны в металлическом ферромагнетике кагоме
Исследовательская группа под руководством Института Пола Шеррера спектроскопически наблюдала фракционирование электронного заряда в металлическом ферромагнетике на основе железа. Экспериментальное наблюдение явления имеет не только фундаментальное значение. Поскольку он появляется в сплаве обычных металлов при доступных температурах, он имеет потенциал для будущего использования в электронных устройствах. Открытие опубликовано в журнале Nature. Используя лазерную фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (лазер ARPES) в Женевском университете с очень малым диаметром луча, они смогли исследовать локальную электронную структуру материала с беспрецедентным разрешением.
Электроны, просвистывающие сквозь кагоме-металл Fe3Sn2, находятся под влиянием близости плоской зоны (показанной отражением верхнего шара от плоской поверхности). Это приводит к фракционированию или расщеплению электронного заряда (показанному здесь появлением нижнего шара). Теперь исследователи наблюдали этот эффект спектроскопически.
Фото: Институт Пола Шеррера / Сэнди Экахана.
Базовая квантовая механика говорит нам, что фундаментальная единица заряда нерушима: заряд электрона квантуется. Однако мы пришли к пониманию того, что исключения существуют. В некоторых ситуациях электроны собираются вместе, как если бы они были разделены на независимые объекты, каждый из которых обладает частью заряда.
Тот факт, что заряд можно фракционировать, не нов: это наблюдалось экспериментально с конца 1980-х годов с помощью дробного квантового эффекта Холла. При этом наблюдается квантование проводимости системы, в которой электроны удерживаются в двумерной плоскости, в дробных, а не целых единицах заряда.
Эффект Холла является косвенной мерой фракционирования заряда через макроскопическое проявление этого явления: напряжение. По существу, он не раскрывает микроскопическое поведение — динамику — дробных зарядов. Исследовательская группа, созданная в результате сотрудничества учреждений Швейцарии и Китая, теперь выявила такую динамику с помощью спектроскопии электронов, испускаемых ферромагнетиком при освещении лазером.
Подталкивание электронов к странному поведению
Чтобы фракционировать заряды, вам нужно перенести электроны в странное место, где они перестанут подчиняться обычным правилам. В обычных металлах электроны обычно движутся сквозь материал, обычно игнорируя друг друга, за исключением случайных ударов. Они обладают рядом различных энергий. Энергетические уровни, на которых они лежат, описываются как «зоны дисперсии», где кинетическая энергия электронов зависит от их импульса.
В некоторых материалах определенные экстремальные условия могут подтолкнуть электроны к взаимодействию и коллективному поведению. Плоские зоны — это области электронной структуры материала, где все электроны находятся в одном и том же энергетическом состоянии, т. е. где они имеют почти бесконечную эффективную массу. Здесь электроны слишком тяжелы, чтобы ускользнуть друг от друга, и между электронами царят сильные взаимодействия.
Редкие и востребованные плоские зоны могут привести к таким явлениям, как экзотические формы магнетизма или топологические фазы, такие как дробные квантовые состояния Холла.
Для наблюдения дробного квантового эффекта Холла применяются сильные магнитные поля и очень низкие температуры, которые подавляют кинетическую энергию электронов и способствуют сильным взаимодействиям и коллективному поведению.
Исследовательская группа могла бы добиться этого другим способом, без применения сильного магнитного поля: создав решетчатую структуру , которая уменьшает кинетическую энергию электронов и позволяет им взаимодействовать. Такой решеткой является японский плетеный бамбуковый коврик «кагоме», который характеризует атомные слои в удивительно большом количестве химических соединений.
Они сделали свое открытие в Fe3Sn2, соединении, состоящем только из обычных элементов железа (Fe) и олова (Sn), собранных по схеме кагоме из треугольников с общими углами.
Лазер ARPES позволяет рассмотреть поближе
Исследователи не ставили перед собой задачу наблюдать фракционирование заряда в кагоме Fe3Sn2. Вместо этого они просто были заинтересованы в проверке существования плоских зон, предсказанных для этого ферромагнитного материала.
Используя лазерную фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (лазер ARPES) в Женевском университете с очень малым диаметром луча, они смогли исследовать локальную электронную структуру материала с беспрецедентным разрешением.
«Зонная структура в кагоме Fe3Sn2 различается в зависимости от того, какой ферромагнитный домен вы исследуете. Нам было интересно посмотреть, сможем ли мы с помощью микрофокусированного луча обнаружить неоднородности в электронной структуре, коррелирующие с доменами, которые были ранее обнаружены», — говорит Сэнди Экахана, научный сотрудник группы квантовых технологий PSI и первый автор исследования.
Электронные карманы и сталкивающиеся полосы
Сосредоточив внимание на определенных кристаллических доменах, команда выявила особенность, известную как электронные карманы. Это области в пространстве импульсов электронной зонной структуры материала, где энергия электронов минимальна, эффективно образуя карманы, где электроны «тусуются». Здесь электроны ведут себя как коллективные возбуждения или квазичастицы.
Внимательно изучив их, исследователи обнаружили странные особенности в структуре электронных зон, которые не были полностью объяснены теорией. Лазерные измерения ARPES выявили дисперсионную полосу, которая не соответствовала расчетам теории функционала плотности (DFT) — одного из наиболее признанных методов изучения электронных взаимодействий и поведения в материалах.
«Очень часто бывает, что ДПФ не совсем совпадает. Но только с экспериментальной точки зрения эта полоса была крайне своеобразной. Она была чрезвычайно резкой, но потом внезапно обрывалась. Это ненормально — обычно полосы непрерывные», - объясняет Йона Со, ученый из PSI и автор исследования.
Исследователи поняли, что они наблюдают дисперсионную полосу, взаимодействующую с плоской полосой, существование которой предсказывали коллеги из EPFL. Наблюдение плоской зоны, взаимодействующей с дисперсионной полосой, само по себе представляет большой интерес: считается, что взаимодействие между плоскими и дисперсионными зонами позволяет возникать новым фазам материи, таким как «маргинальные» металлы, где электроны не перемещаются намного дальше, чем их квантовая длина волны и своеобразные сверхпроводники.
«Было много теоретических дискуссий о взаимодействии между плоскими и дисперсионными полосами, но впервые новая полоса, вызванная этим взаимодействием, была обнаружена спектроскопически», — говорит Со.
Фракционализация заряда
Последствия этого наблюдения еще более глубокие. Когда две группы встречаются, они сливаются, образуя новую группу. Исходная дисперсионная зона занята. Плоская зона является незанятой, поскольку она лежит выше уровня Ферми — концепция, описывающая границу между занятыми и незанятыми уровнями энергии. Когда создается новая полоса, заряд делится между исходной дисперсионной полосой и новой полосой. Это означает, что каждая полоса содержит лишь часть заряда.
Таким образом, измерения Экаханы и его коллег обеспечивают прямое спектроскопическое наблюдение фракционирования заряда.
«Достижение и наблюдение состояний, в которых заряд дробится, интересно не только с точки зрения фундаментальных исследований», — говорит Габриэль Эппли, руководитель отдела фотонной науки в PSI и профессор EPFL и ETH Zurich, который предложил исследование. «Мы наблюдаем это в сплаве обычных металлов при низких, но все же относительно доступных температурах. Это заставляет задуматься о том, существуют ли электронные устройства, которые могли бы использовать фракционирование».
