Dans les matériaux solides, le magnétisme provient généralement de l’alignement des spins électroniques. Par exemple, dans le fer ferromagnétique, la magnétisation nette globale est provoquée par l'alignement des spins dans la même direction.
Ces dernières années, les physiciens et les spécialistes des matériaux ont identifié des matériaux dans lesquels le magnétisme apparaît différemment, en raison de facteurs topologiques. Depuis, de nombreuses études ont visé à découvrir de nouveaux matériaux présentant ces formes non conventionnelles de magnétisme.
Des chercheurs du Boston College, de l'Université de Californie à Santa Barbara, de l'Université de Würzburg et d'autres instituts ont récemment observé un magnétisme d'origine topologique dans un métal kagome bicouche, à savoir TbV6 Sn6 . Leur article, publié dans Nature Physics , ont découvert un effet Zeeman orbital colossal amélioré par la courbure de Spin Berry dans TbV6 Sn6 .
"Dans certains nouveaux matériaux, le magnétisme peut provenir d'autres manières, par exemple de la topologie des bandes électroniques", a déclaré Ilija Zeljkovic, co-auteur de l'article, à Phys.org.
"Certains états électroniques peuvent acquérir une propriété appelée courbure de Berry, qui peut à son tour conduire à des moments magnétiques orbitaux associés à des états électroniques particuliers. Il est intéressant de noter que ces moments magnétiques orbitaux peuvent être énormes, bien plus grands que ceux d'un spin individuel."
L'objectif principal de l'étude récente de Zeljkovic et de ses collègues était d'étudier les moments orbitaux spéciaux rapportés dans des travaux antérieurs, en particulier dans le matériau kagome TbV6. Sn6 . De plus, ils espéraient mieux comprendre comment ces moments réagissaient aux champs magnétiques.
"Il a été proposé que les matériaux Kagome en général présentent ces caractéristiques en raison de la géométrie du réseau qui peut naturellement donner naissance à des bandes plates topologiques sans dispersion et à des points de Dirac, des points spéciaux où se croisent des bandes à dispersion linéaire", a déclaré Zeljkovic. "La courbure de Berry et la courbure de spin-Berry ont tendance à être importantes près des points de Dirac si le point de Dirac est écarté, ce qui conduit à de grands moments magnétiques orbitaux et facilite leur observation."
Les chercheurs ont examiné leur TbV6 Sn6 échantillon en utilisant une technique connue sous le nom de microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/S). Cette technique consiste à utiliser une pointe métallique pointue placée près de la surface de l'échantillon (c'est-à-dire à quelques angströms) pour mesurer le courant tunnel en fonction de la position de la pointe.
"Le courant tunnel contient des informations sur la densité d'états électroniques (DOS), ou sur le nombre d'états électroniques dont nous disposons à une énergie donnée pour que les électrons les occupent", a expliqué Zeljkovic. "Nous avons effectué une cartographie spectroscopique spatiale du DOS à l'aide de STM pour cartographier les états électroniques en fonction de l'énergie et de la quantité de mouvement."
Zeljkovic et ses collègues ont ensuite répété la même expérience en se concentrant sur les champs magnétiques, dans le but de découvrir l'évolution de ces états électroniques dans les champs magnétiques. Cette deuxième expérience leur a finalement permis d'extraire les moments magnétiques orbitaux associés à des états électroniques individuels.
"Nous avons constaté que les moments magnétiques orbitaux proches du point de Dirac sont des centaines de fois supérieurs à ceux du moment magnétique associé au spin électronique", a déclaré Zeljkovic. "Nous avons également visualisé comment les états électroniques dégénérés avec une courbure de Spin Berry opposée se déforment dans des champs magnétiques dans des directions opposées, un phénomène que nous appelons division orbitale de Zeeman."
Les chercheurs ont observé que la division de la dégénérescence de la bande électronique dans leur échantillon était étonnamment importante et que sa taille était enracinée dans sa grande courbure de spin-Berry sous-jacente. Leurs résultats expérimentaux ont ensuite été corroborés par une série de calculs théoriques.
Les travaux récents de cette équipe de chercheurs ont permis de recueillir des informations intéressantes sur les états magnétiques non conventionnels d'origine topologique. À l'avenir, leurs résultats pourraient inspirer de nouveaux efforts de recherche portant sur d'autres grands moments magnétiques orbitaux entraînés par la courbure de Berry, tels que ceux précédemment observés dans certaines structures à base de graphène.
"Dans le matériau que nous avons examiné, de grands moments magnétiques orbitaux sont associés à des états éloignés du niveau de Fermi", a ajouté Zeljkovic. "Si l'on peut régler le matériau de manière à ce que ces états électroniques puissent émerger près du niveau de Fermi, par exemple par déformation ou dopage chimique, ces moments peuvent potentiellement donner lieu à un magnétisme orbital qui peut également être détecté par d'autres sondes expérimentales, et potentiellement utile pour la recherche en profondeur. -applications en ligne dans les appareils."
