Магнетизм способствует необычному электронному порядку в квантовом материале
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature Physics , физики Университета Райса Мин Йи и Пэнчен Дай, а также многие из их сотрудников по исследованию 2022 года, представляют ряд экспериментальных доказательств, показывающих, что в волнах зарядовой плотности магнитные и электронные заряды не просто сосуществуют, а напрямую связаны.
(слева) решетка Кагомэ; (в центре) поверхность Ферми магнитной фазы железо-германий до возникновения волны зарядовой плотности;
(справа) Поверхность Ферми железа-германия после возникновения волны плотности заряда.
Предоставлено: Мин Йи/Университет Райса.
Физики были удивлены открытием в 2022 году, что электроны в магнитных железо-германиевых кристаллах могут спонтанно и коллективно организовывать свои заряды в виде стоячей волны. Магнетизм также возникает в результате коллективной самоорганизации спинов электронов в упорядоченные структуры, и эти структуры редко сосуществуют с моделями, создающими стоячую волну электронов, которую физики называют волной плотности заряда.
В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature Physics, физики Университета Райса Мин Йи и Пэнчен Дай, а также многие из их сотрудников по исследованию 2022 года, представляют ряд экспериментальных доказательств, показывающих, что их открытие волн зарядовой плотности было еще более редким, случай, когда магнитные и электронные заряды не просто сосуществуют, а напрямую связаны.
«Мы обнаружили, что магнетизм тонко изменяет ландшафт энергетических состояний электронов в материале таким образом, что это одновременно способствует и подготавливает к формированию волны плотности заряда», — сказал Йи, соавтор исследования.
В соавторстве с исследованием выступили более дюжины исследователей из Райса; Окриджская национальная лаборатория (ORNL); Национальная ускорительная лаборатория SLAC; Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL); Вашингтонский университет; Калифорнийский университет в Беркли; Израильский институт науки Вейцмана; и Китайский Южный университет науки и технологий.
Железо-германиевые материалы представляют собой кристаллы решетки кагомэ, широко изученное семейство материалов с двумерным расположением атомов, напоминающим рисунок переплетения в традиционных японских корзинах кагомэ, которые имеют равносторонние треугольники, соприкасающиеся по углам.
«Материалы Kagome в последнее время штурмом покорили мир квантовых материалов», — сказал Йи. «Крутая вещь в этой структуре заключается в том, что геометрия накладывает интересные квантовые ограничения на то, как электронам разрешено перемещаться, что-то вроде того, как круговые перекрестки влияют на поток транспорта и иногда останавливают его».
По своей природе электроны избегают друг друга. Один из способов сделать это — упорядочить свои магнитные состояния — спины, направленные либо вверх, либо вниз — в направлении, противоположном направлению вращения их соседей.
Дай, соавтор исследования, сказал: «Когда электроны помещаются в решетки кагоме, они также могут оказаться в состоянии, в котором они застряли и не могут никуда двигаться из-за эффектов квантовой интерференции».
Когда электроны не могут двигаться, треугольное расположение создает ситуацию, когда у каждого есть три соседа, и у электронов нет возможности коллективно упорядочить все соседние спины в противоположных направлениях. Присущая электронам фрустрация в материалах решетки Кагомэ давно признана.
Йи сказал, что решетка ограничивает электроны таким образом, что «может оказать прямое влияние на наблюдаемые свойства материала», и команда смогла использовать это, «чтобы глубже исследовать происхождение переплетения магнетизма и волны плотности заряда». в железо-германий.
Они сделали это, используя комбинацию экспериментов по неупругому рассеянию нейтронов, которые проводились в ORNL, и экспериментов по фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, которые проводились на усовершенствованном источнике света LBNL и Стэнфордском источнике синхротронного излучения SLAC, а также в лаборатории Йи в Райсе.
«Эти зонды позволили нам посмотреть, что делают электроны и решетка, когда формируется волна плотности заряда», — сказала она.
Дай сказал, что результаты подтвердили гипотезу команды о том, что порядок заряда и порядок магнитного поля связаны между железом и германием. «Это один из очень немногих, если не единственный известный пример материала кагомэ, в котором магнетизм формируется первым, подготавливая путь для выстраивания зарядов», — сказал он.
И сказал, что работа показывает, как любопытство и фундаментальные исследования природных явлений могут в конечном итоге привести к прикладной науке.
«Как физики, мы всегда взволнованы, когда находим материалы, которые спонтанно образуют какой-то порядок», — сказала она. «Это означает, что у нас есть шанс узнать о способностях к самоорганизации фундаментальных частиц квантовых материалов. Только с таким пониманием мы можем однажды надеяться создать материалы с новыми или экзотическими свойствами, которыми мы можем управлять по своему желанию."
Дай — профессор физики и астрономии Сэма и Хелен Уорден. Дай и Йи являются членами Rice Quantum Initiative и Rice Center for Quantum Materials (RCQM).
