Comme tant de cibles de la recherche scientifique, la classe de matériau appelée l'aimant kagome s'est avérée être une source à la fois de frustration et d'étonnement. Révéler davantage les propriétés quantiques de l'aimant kagome est considéré comme l'un des principaux défis de la physique fondamentale, à la fois pour les théoriciens et les expérimentateurs.

Une géométrie sous-jacente inhabituelle de l'arrangement atomique est au cœur de la valeur de ces matériaux. Les réseaux de Kagome sont décrits comme des réseaux d'intersection de "triangles partageant des coins" et sont appréciés pour le comportement unique des électrons qui les traversent, un terrain fertile pour l'étude des états électroniques quantiques qualifiés de frustrés, corrélées et topologiques.

Une étude récente d'un groupe international de chercheurs, publié dans la revue La nature , ont découvert que le ferromagnétique kagome Fe3Sn2 présente un état électronique qui se couple de manière inhabituellement forte à un champ magnétique appliqué qui peut être tourné pour pointer dans n'importe quelle direction d'un espace tridimensionnel, révélant à l'échelle quantique un changement d'énergie électronique "géant" induit par la magnétisation qui se déroule dans le matériau.

Ce changement d'énergie jette un nouvel éclairage sur la présence de couplage spin-orbite et de textures topologiques de spin dans les réseaux kagome, où les structures magnétiques et électroniques sont enchevêtrées et produisent une activité de spin-orbite inhabituelle, souvent inconnue auparavant, a déclaré Ziqiang Wang, professeur de physique au Boston College, un co-auteur du rapport, intitulé « Accordabilité spin-orbite géante et anisotrope dans un aimant kagome fortement corrélé ».

"Nous avons découvert deux choses. La première est que l'état électronique de Fe3Sn2 est nématique, un état qui brise spontanément la symétrie de rotation. Les électrons se comportent comme un cristal liquide à l'intérieur de cet aimant, probablement en raison de la forte interaction électron-électron, " a déclaré Wang. " La deuxième chose que nous avons trouvée est que vous pouvez manipuler et apporter de grands changements à la structure de l'énergie des électrons en réglant la structure magnétique en appliquant un champ magnétique. "

Wang, un physicien théoricien, et étudiant diplômé Kun Jiang, Doctorat., qui ont étudié de nouveaux états électroniques quantiques résultant de l'interaction de l'interaction électron-électron, frustration géométrique, et les structures de bandes topologiques, ont rejoint des collègues expérimentateurs qui ont d'abord noté l'activité électronique inhabituelle alors qu'ils étudiaient le matériau à l'aide de la microscopie à effet tunnel.

L'équipe, qui comprenait des chercheurs de la Colombie-Britannique, Université de Princeton, Académie chinoise des sciences, Université Renmin, et l'Université de Pékin - ont utilisé des outils STM et de champ magnétique vectoriel pour identifier les propriétés électroniques couplées spin-orbite du ferromagnétique kagome et ont exploré les phénomènes exotiques qu'il contient, tout en effectuant des modélisations et des calculs pour fournir une interprétation théorique et une compréhension des phénomènes observés.

"Ce que nos collègues ont découvert, c'est qu'en changeant la direction du champ magnétique, ils ont vu des changements dans les états électroniques qui sont anormalement grands, " dit Wang. " Les décalages des bandes - il y a des bandes interdites, régions interdites de la mécanique quantique où les électrons ne peuvent pas résider - ces régions peuvent être réglées énormément par le champ magnétique appliqué."

Le "band shift" est un changement dans la structure de la bande électronique, dit Wang. Il élargit et rétrécit la bande interdite en fonction des directions du champ magnétique. Le ferromagnétique kagome a montré un décalage environ 150 fois plus important que les matériaux ordinaires.

Sonder les modèles d'interférence des fonctions d'onde de la mécanique quantique de l'électron a révélé une nématicité spontanée cohérente, une indication d'une corrélation électronique importante qui provoque la rupture de la symétrie de rotation de l'état électronique dans le matériau.

Ces réponses électroniques géantes entraînées par le spin ont indiqué la possibilité d'une phase topologique magnétique corrélée sous-jacente, les chercheurs ont rapporté. L'accordabilité de l'aimant kagome a révélé une forte interaction entre un champ magnétique appliqué de l'extérieur et la nématicité, fournir de nouvelles voies pour contrôler les propriétés spin-orbite et explorer les phénomènes émergents dans les matériaux topologiques ou quantiques, l'équipe a écrit.

L'accordabilité du champ magnétique géant des propriétés électriques pourrait un jour conduire à des applications potentielles dans les dispositifs électroniques tels que les technologies de mémoire et de stockage d'informations et de détection, dit Wang.

"Ce qui est passionnant dans ces résultats, c'est le potentiel de réaliser quelque chose d'utile, " a déclaré Wang. " Cela vient de la physique très fondamentale, mais il se peut qu'il se connecte un jour aux applications. On ne comprend pas tout, mais nous savons maintenant que c'est un matériau qui contient tous ces ingrédients importants."