Les matériaux quantiques émergents peuvent être définis par la topologie et de fortes corrélations électroniques, bien que leurs applications dans les systèmes expérimentaux soient relativement limitées. Les semi-métaux de Weyl incorporant le magnétisme offrent une plate-forme unique et fertile pour explorer les phénomènes émergents dans le développement de la matière topologique et de la spintronique topologique. L'antiferromagnétique triangulaire Mn 3 Sn présente de nombreuses propriétés physiques exotiques en tant que semi-métal Weyl antiferromagnétique (AFM) (WSM), y compris un effet Hall spontané d'une taille attrayante.

L'effet Hall spontané a été découvert il y a plus d'un siècle et compris en termes de rupture de symétrie d'inversion du temps par la structure de spin interne de l'antiferromagnétique, formes ferromagnétiques ou skyrmioniques (petits défauts topologiques tourbillonnants dans l'aimantation).

Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Durga Khadka et une équipe de scientifiques en physique, la science des matériaux, la recherche et l'ingénierie neutroniques aux États-Unis ont signalé la synthèse de Mn épitaxié 3+x Sn 1−x films avec des compositions similaires à des échantillons en vrac. Lorsqu'ils ont remplacé les atomes d'étain (Sn) par des atomes de manganèse magnétique (Mn) dans les échantillons, ils ont noté l'effet Kondo; un exemple célèbre de fortes corrélations à émerger, développent alors de la cohérence et induisent un gap énergétique d'hybridation. Le processus de dopage magnétique et d'ouverture d'espace a facilité de riches propriétés extraordinaires pour les nouveaux matériaux.

Les semi-métaux Weyl et l'effet Kondo

Les scientifiques des matériaux étudient la topologie de la structure des bandes et la conception des matériaux en tant que caractéristique de plus en plus importante contribuant à de nombreux comportements exotiques dans les nouveaux matériaux quantiques. La théorie des bandes ou la structure des bandes définit le comportement quantique des électrons dans les solides. La topologie de la structure de bande est essentielle pour comprendre le développement de semi-métaux topologiques sans espace tels que les semi-métaux de Weyl (WSM) et les semi-métaux de Dirac qui sont des analogues tridimensionnels (3-D) du graphène.

Les semi-métaux de Weyl sont des cristaux à l'état solide avec des excitations de faible énergie connus sous le nom de fermions de Weyl qui portent une charge électrique à température ambiante. Les bandes de conduction et de valence des WSM se croisent à des points spécifiques dans l'espace de quantité de mouvement, connu sous le nom de nœuds de Weyl, et leur espacement dicte à son tour l'ampleur de l'effet Hall anormal intrinsèque - un effet observé dans les solides avec une symétrie d'inversion du temps brisée ou une conservation de l'entropie. Les nœuds de Weyl apparaissent sous forme de paires non dégénérées avec une chiralité opposée. Jusqu'à présent, les travaux sur les WSM se sont concentrés sur les systèmes à interaction faible avec un besoin croissant d'inclure les effets de fortes corrélations électroniques. L'effet Kondo est un exemple classique de comportement fortement corrélé provenant du couplage entre les spins des électrons de conduction et les moments magnétiques locaux. Ce travail suggère les WSM comme une plate-forme fertile pour étudier de nouvelles phases quantiques en raison de l'interaction entre la physique de Weyl et de Kondo.

L'équipe a sélectionné le métal semi-magnétique antiferromagnétique Weyl (WSM) Mn 3 Sn comme un matériau prometteur pour étudier les concepts. Dans le Mn 3 Structure hexagonale Sn, les atomes de Mn ont formé un réseau de Kagome 2-D (un motif tissé composé de triangles entrelacés) avec des atomes de Sn assis aux centres des hexagones. Les scientifiques ont utilisé des mesures de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) pour observer les caractéristiques structurelles. Les propriétés topologiques et spintroniques exceptionnelles ainsi que de fortes corrélations ont fait du Mn 3 Sn une plate-forme idéale pour étudier la physique multiforme entre la topologie, magnétisme, corrélations fortes et spintronique antiferromagnétique émergente.

Khadka et al. développé des films épitaxiaux de haute qualité et observé des effets Kondo dans des films avec un excès de Mn, qui a agi comme dopant dans le système après avoir remplacé Sn. Quand ils ont augmenté le dopage au Mn, le système a développé la cohérence de Kondo et a ouvert une brèche d'hybridation. Le Mn 3 Sn présentait un effet Hall fortement anisotrope. L'équipe a utilisé la co-pulvérisation de cibles Mn et Sn pour réaliser une croissance épitaxiale et créer Mn 3+x Sn 1−x cinéma. En utilisant des modèles de diffraction des rayons X (XRD), ils ont noté l'absence de pics d'impuretés dans le matériau et en utilisant la microscopie à force atomique, ils ont noté que la rugosité de la surface était d'environ 0,4 nanomètre. Des études de recherche antérieures avaient montré la stabilité du Mn hexagonal 3 Les films de Sn après que les atomes de Mn en excès ont remplacé les atomes de Sn. Par conséquent, le dopage au Mn a réglé efficacement la topologie de la structure de la bande et les effets Hall dans le Mn 3+x Sn 1−x Les films ont permis aux scientifiques d'explorer des corrélations nouvelles et inhabituelles pour comprendre l'interaction entre Weyl et la physique des corrélations sur une plate-forme idéale.

L'équipe a en outre montré des preuves plus solides de l'ouverture de l'espace des films en utilisant des mesures de rotation térahertz Faraday. Lorsqu'ils ont dopé le semi-métal de Weyl (WSM) avec des atomes de Mn magnétiques, ils ont noté une transition possible de l'effet Kondo à l'isolant Kondo; une nouvelle classe de matière topologique, où les effets étaient indépendants de l'orientation de la croissance cristalline. Étant donné que la grande résistance de Hall anormale spontanée (AHR) provenant des nœuds de Weyl formait auparavant une caractéristique de transport saillante dans le Mn en vrac 3 Sn, Khadka et al. identifié de la même manière la nature Weyl du film mince utilisé ici avec des mesures de Hall. Les calculs de résistivité Hall totale ont pris en compte l'aimantation, coefficient de Hall ordinaire et perméabilité magnétique pour les résistances de Hall inhabituelles résultantes dans les films.

Magnétorésistance inhabituelle

Khadka et al. puis enregistré une magnétorésistance négative (RMN) comme une autre caractéristique de transport importante dans les semi-métaux de Weyl en raison de l'anomalie chirale du matériau. Par exemple, lorsqu'ils appliquaient un champ magnétique dans le sens du courant, un courant de charge chiral conduit d'un nœud de Weyl à son homologue avec une chiralité opposée. Le courant chiral combiné a amélioré la conductivité électrique pendant l'expérience, donnant lieu à une magnétorésistance négative (RMN) - une caractéristique qui a démontré les conséquences du dopage magnétique des atomes de Mn.

De cette façon, Durga Khadka et ses collègues ont développé le semi-métal antiferromagnétique Weyl Mn 3+x Sn 1−x films minces avec une qualité d'échantillon supérieure. La classe passionnante de matériaux a fourni une plate-forme pour étudier l'interaction entre de fortes corrélations d'électrons, topologie et magnétisme. L'équipe a remplacé l'étain (Sn) par du manganèse magnétique (Mn) pour réaliser un effet Kondo qui a conduit à ouvrir un trou d'hybridation, accompagnée d'une diminution de la résistance de Hall. Les travaux constituent la base d'études ultérieures sur des matériaux connexes, notamment la localisation des électrons par dopage d'atomes avec divers éléments, notamment le fer, cobalt, cuivre ou gadolinium. L'équipe peut encore affiner le couplage spin-orbite des films minces en dopant des éléments lourds tels que le plomb (Pb).

Étant donné que les matériaux antiferromagnétiques colinéaires conventionnels ne présentent pas d'effets anormaux de résistance Hall en raison de leurs propriétés de magnétisation extrêmement faibles, ils ne sont pas de bons candidats pour la spintronique antiferromagnétique. En revanche, les riches textures de spin colinéaires, et des résistances Hall substantielles du Mn 3 La famille Sn de composés introduite dans ce travail en fait un candidat prometteur pour de telles applications. Ces couches minces offriront de nouveaux paradigmes pour propulser le domaine émergent de la spintronique antiferromagnétique topologique afin de développer de nouveaux dispositifs basés sur le spin.

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