(а) Измеренные дуги Ферми со спиновым разрешением в 2 МС Fe/W(110) слева и справа от карты импульса. Цвета указывают компонент спина в плоскости вдоль направления x, который ортогонален намагниченности образца
(b) Стрелки обозначают полную теоретическую текстуру спина в импульсном пространстве, показывая заметную неколлинеарность для дуг Ферми (красный) по сравнению с внутренним состоянием (серый).
(c) Распределение теоретической кривизны Берри в импульсном пространстве всех занятых зон в 2 МС Fe/W(110) вокруг одной из пар дуг Ферми.
Авторы и права: Ин-Цзюнь Чен и др., Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-022-32948-z (CC-BY)

Вновь обнаруженные дуги Ферми представляют собой особые — дугообразные — отклонения от так называемой поверхности Ферми. Поверхность Ферми используется в физике конденсированного состояния для описания импульсного распределения электронов в металле. Обычно эти поверхности Ферми представляют собой замкнутые поверхности. Исключения, такие как дуги Ферми, очень редки и часто связаны с экзотическими свойствами, такими как сверхпроводимость, отрицательное магнитосопротивление и аномальные эффекты квантового переноса.

Сегодняшняя технологическая задача состоит в том, чтобы разработать контроль физических свойств материалов «по требованию». Однако такие экспериментальные испытания в значительной степени ограничивались сыпучими материалами и представляют собой ключевую проблему в науке о конденсированных средах. Благодаря своей новаторской парадигме результаты представляют собой многообещающую новую границу для квантового управления топологическими состояниями в низкоразмерных системах с помощью внешних средств — внешнего магнитного поля, которое предлагает беспрецедентные возможности для 2D-материалов для искусственного интеллекта, а также для будущей обработки информации.

Анализируемый материал представляет собой так называемый топологический 2D материал. Топологические материалы обладают особыми свойствами, возникающими за счет взаимодействия электронов с кристаллической структурой и защищенными от мешающих воздействий. С другой стороны, 2D-материалы — это материалы, состоящие только из одного слоя атомов или молекул, которые интенсивно исследуются из-за их необычных свойств. Известным примером является графен, состоящий из однослойного углерода.

Графен обладает экзотическими физическими свойствами по сравнению со своим массивным аналогом. Материал, упомянутый в статье, представляет собой двумерный атомный слой железа. По сравнению с графеном эти 2D-гибридные магниты представляют собой класс материалов, которые обнаруживают дополнительные возникающие явления в пределе одного слоя. Например, это может привести к потенциальному применению киральной аномалии в устройствах и открыть новую область исследований в области сильно коррелированных топологических материалов.

Для работы исследователи провели эксперименты на синхротроне Elettra в Триесте, Италия. Там международный консорциум во главе с Forschungszentrum Jülich использует спин-разрешающий микроскоп Momentum на линии луча NanoESCA.