Tomando su nombre de un intrincado patrón de canasta japonés, se cree que los imanes kagome tienen propiedades electrónicas que podrían ser valiosas para futuros dispositivos cuánticos y aplicaciones. Las teorías predicen que algunos electrones en estos materiales tienen comportamientos exóticos, denominados topológicos y otros se comportanalgo así como el grafeno, otro material apreciado por su potencial para nuevos tipos de electrónica.
Ahora, un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha observado que algunos de los electrones en estos imanes se comportan colectivamente, como un electrón casi infinitamente masivo que es extrañamente magnético, en lugar de como partículas individuales. El estudio fue publicado en la revista Física de la naturaleza esta semana
El equipo también demostró que colocar el imán de kagome en un campo magnético alto hace que la dirección del magnetismo se invierta. Este "magnetismo negativo" es similar a tener una brújula que apunta hacia el sur en lugar de hacia el norte, o un imán de refrigerador que de repente se niega apalo.
"Hemos estado buscando electrones súper masivos de 'banda plana' que aún pueden conducir electricidad durante mucho tiempo, y finalmente los hemos encontrado", dijo M. Zahid Hasan, profesor de física de Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo. "En este sistema, también encontramos que debido a un efecto interno de fase cuántica, algunos electrones se alinean frente al campo magnético, produciendo magnetismo negativo".
El equipo exploró cómo los átomos dispuestos en un patrón kagome en un cristal dan lugar a propiedades electrónicas extrañas que pueden tener beneficios en el mundo real, como la superconductividad, que permite que la electricidad fluya sin pérdida como calor, o el magnetismo que se puede controlar aEl nivel cuántico para su uso en la electrónica del futuro.
Los investigadores utilizaron microscopía y espectroscopía de túnel de barrido de última generación STM / S para observar el comportamiento de los electrones en un cristal con diseño de kagome hecho de cobalto y estaño, intercalado entre dos capas de átomos de azufre, quese intercalan entre dos capas de estaño.
En la capa de kagome, los átomos de cobalto forman triángulos alrededor de un hexágono con un átomo de estaño en el centro. Esta geometría obliga a los electrones a algunas posiciones incómodas, lo que hace que este tipo de material se llame "imán frustrado".
Para explorar el comportamiento de los electrones en esta estructura, los investigadores cortaron las capas superiores para revelar la capa de kagome debajo.
Luego usaron la técnica STM / S para detectar el perfil de energía de cada electrón o estructura de banda. La estructura de banda describe el rango de energías que un electrón puede tener dentro de un cristal y explica, por ejemplo, por qué algunos materiales conducen electricidad y otrosson aislantes. Los investigadores descubrieron que algunos de los electrones en la capa de kagome tienen una estructura de banda que, en lugar de ser curva como en la mayoría de los materiales, es plana.
Una estructura de banda plana indica que los electrones tienen una masa efectiva que es tan grande que es casi infinita. En tal estado, las partículas actúan colectivamente en lugar de partículas individuales.
Las teorías han predicho durante mucho tiempo que el patrón kagome crearía una estructura de banda plana, pero este estudio es la primera detección experimental de un electrón de banda plana en dicho sistema.
Una de las predicciones generales que siguen es que un material con una banda plana puede exhibir magnetismo negativo.
De hecho, en el estudio actual, cuando los investigadores aplicaron un fuerte campo magnético, algunos de los electrones del imán kagome apuntaban en la dirección opuesta.
"Si el campo se aplicó hacia arriba o hacia abajo, la energía de los electrones volteó en la misma dirección, eso fue lo primero que fue extraño en términos de los experimentos", dijo Songtian Sonia Zhang, una estudiante graduada en física y una detres coprimeros autores en el artículo.
"Eso nos dejó perplejos durante unos tres meses", dijo Jia-Xin Yin, investigador asociado postdoctoral y otro coautor del estudio. "Estábamos buscando el motivo, y con nuestros colaboradores nos dimos cuenta de que este era elprimera evidencia experimental de que este pico de banda plana en la red kagome tiene un momento magnético negativo "
Los investigadores descubrieron que el magnetismo negativo surge debido a la relación entre la banda plana kagome, un fenómeno cuántico llamado acoplamiento de órbita giratoria, el magnetismo y un factor cuántico llamado campo de curvatura de Berry. El acoplamiento de órbita-giro se refiere a una situación en la que unEl giro del electrón, que en sí mismo es una propiedad cuántica de los electrones, se vincula con la rotación orbital del electrón. La combinación del acoplamiento giro-orbital y la naturaleza magnética del material hace que todos los electrones se comporten en un paso de bloqueo, como una partícula gigante.
Otro comportamiento intrigante que surge de las interacciones de órbita giratoria estrechamente acopladas es la aparición de comportamientos topológicos. El tema del Premio Nobel de Física 2016, los materiales topológicos pueden tener electrones que fluyen sin resistencia en sus superficies y son un área activa deinvestigación. El material de cobalto-estaño-azufre es un ejemplo de un sistema topológico.
Las redes con patrones bidimensionales pueden tener otros tipos deseables de conductancia electrónica. Por ejemplo, el grafeno es un patrón de átomos de carbono que ha generado un interés considerable por sus aplicaciones electrónicas en las últimas dos décadas. La estructura de la banda de la red kagome da lugar a electronesque se comportan de manera similar a los del grafeno.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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