Les matériaux qui combinent des propriétés électroniques topologiques et le magnétisme quantique sont d'un grand intérêt pour la physique quantique à N corps qu'ils présentent et pour des applications possibles dans les composants électroniques. Les physiciens de l'ETH ont maintenant établi le mécanisme microscopique reliant le magnétisme et la topologie des bandes électroniques pour l'un de ces matériaux.

La matière de Dirac est une classe intrigante de matériaux aux propriétés intéressantes :les électrons dans ces matériaux se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse. Le matériau Dirac le plus important est le graphène, mais d'autres ont été découverts au cours des 15 dernières années. Chacun sert de terrain de jeu riche pour explorer des comportements électroniques exotiques, dont certains pourraient permettre de nouveaux composants pour l'électronique.

Cependant, il n'y a que très peu d'exemples où la topologie des bandes électroniques est liée de manière bien définie aux propriétés magnétiques des matériaux. Un matériau dans lequel une telle interaction entre les états électroniques topologiques et le magnétisme a été observé est le CaMnBi 2 , mais le mécanisme reliant les deux est resté flou. Écrire dans Lettres d'examen physique , postdoc Run Yang et Ph.D. l'étudiant Matteo Corasaniti du groupe Spectroscopie optique du Prof. Leonardo Degiorgi au Laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich, travailler avec des collègues du Brookhaven National Laboratory (États-Unis) et de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, rapportent maintenant une étude complète fournissant des preuves claires qu'un léger coup de pouce sur les moments magnétiques, connu sous le nom de spin canting, provoque des changements substantiels dans la structure de la bande électronique.

CaMnBi 2 et le composé apparenté SrMnBi 2 afficher le magnétisme quantique - les ions manganèse sont ordonnés de manière antiferromagnétique à environ la température ambiante et en dessous - et en même temps, ils hébergent des électrons de Dirac. Qu'il y ait une interaction entre les deux propriétés a été suspecté, à ~50 K, il apparaît une « bosse » inattendue dans les propriétés de conduction de ces matériaux. Mais la nature précise de cette anomalie était jusqu'à présent mal connue.

Dans des travaux antérieurs sur les propriétés optiques, Corasaniti, Yang et ses collègues avaient déjà établi un lien avec les propriétés électroniques du matériau. Ils ont exploité le fait que l'anomalie en forme de bosse dans les propriétés de transport peut être déplacée en température en remplaçant certains des atomes de calcium par du sodium. Pour déterminer les origines microscopiques du comportement observé, ils ont étudié des échantillons avec différents dopages en sodium par magnétométrie en couple. Dans cette technique, le couple sur un échantillon magnétique est mesuré lorsqu'il est exposé à un champ suffisamment fort, analogue à une aiguille de boussole alignée avec le champ magnétique terrestre. Cette approche a orienté l'équipe vers les origines de l'anomalie.

Un lien solide entre les propriétés magnétiques et électroniques

Dans leurs expériences de couple magnétique, les chercheurs ont découvert qu'à des températures où aucune anomalie n'est observée dans les mesures de transport électroniques, le comportement magnétique ressemble à un antiferromagnétique. Cependant, aux températures auxquelles l'anomalie se manifeste, une composante ferromagnétique est apparue, ce qui peut s'expliquer par une projection des moments magnétiques sur le plan orthogonal à l'axe c de spin facile de l'ordre antiferromagnétique d'origine (voir figure). Ce phénomène est connu sous le nom de spin canting, induite par un mécanisme dit de super-échange.

Ces deux ensembles d'expériences - les mesures optiques et de couple - ont été soutenus par des calculs de premiers principes dédiés. En particulier, pour le cas où le spin canting a été inclus dans les calculs, une hybridation particulière entre les atomes de manganèse et de bismuth s'est avérée médier le couplage magnétique intercouche et régir les propriétés électroniques du matériau. Pris ensemble, l'étude établit un lien direct entre les propriétés magnétiques et les modifications de la structure de la bande électronique, reflété dans l'anomalie de bosse des propriétés de transport.

Ces découvertes ouvrent la porte à l'exploration des propriétés électroniques de CaMnBi 2 et composés apparentés, ainsi que les possibilités découlant de la connexion entre les propriétés magnétiques et les états topologiques dans ces formes intrigantes de la matière.