El magnetismo mejora el inusual sistema electrónico en

HOUSTON – (13 de marzo de 2023) – Los físicos se sorprendieron al descubrir en 2022 que los electrones en los cristales magnéticos de germanio-hierro pueden organizar espontánea y colectivamente sus cargas en un patrón caracterizado por onda estacionaria. El magnetismo también surge de la autoorganización colectiva de los espines de electrones en patrones ordenados, y estos patrones rara vez coexisten con los patrones que producen la onda estacionaria de electrones que los físicos llaman onda de densidad de carga.

en Un estudio publicado esta semana en física de la naturalezaY Físicos de la Universidad de Rice ming yi Y Bingcheng-daiy muchos de sus colaboradores Estudio 2022ofreciendo una gama de evidencia empírica que muestra onda de densidad de carga Más raro aún fue el hallazgo, caso en el que los órdenes magnético y electrónico no solo coexisten, sino que están directamente relacionados.

«Descubrimos que el magnetismo modifica sutilmente el paisaje de los estados de energía de los electrones en la materia de una manera que mejora y predispone a la formación de ondas de densidad de carga», dijo Yi, coautor del estudio.

Más de una docena de investigadores de Rice participaron en el estudio. Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL); Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL); Universidad de Washington Universidad de California, Berkeley; el Instituto de Ciencias Weizmann en Israel; y la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur de China.

Los materiales son hierro y germanio. celosía kagome Cristales, una familia de materiales muy estudiada que presenta arreglos bidimensionales de átomos que recuerdan el patrón de tejido en las cestas Kagome japonesas tradicionales, que presentan triángulos equiláteros que se tocan en las esquinas.

“Los materiales de Kagome han conquistado recientemente el mundo de los materiales cuánticos”, dijo Ye. «Lo bueno de esta estructura es que la geometría impone restricciones cuánticas interesantes sobre la forma en que se permite que los electrones se desplacen, algo similar a cómo el vértigo del tráfico afecta el flujo de tráfico a veces».

por naturaleza, Los electrones se evitan. Una forma de hacer esto es organizar sus estados magnéticos (los espines que apuntan hacia arriba o hacia abajo) en dirección opuesta a los espines de sus vecinos.

«Cuando se colocan en las redes de Kagome, los electrones también pueden parecer estar en un estado en el que están atascados y no pueden viajar a ninguna parte debido a los efectos de interferencia cuántica», dijo Dai, coautor del estudio.

Cuando los electrones no pueden moverse, la disposición trigonométrica produce un estado en el que cada uno tiene tres vecinos, y no hay forma de que los electrones organicen colectivamente todos los espines vecinos en direcciones opuestas. La frustración inherente de los electrones en los materiales reticulares de Kagome ha sido reconocida durante mucho tiempo.

La red restringe los electrones de formas que «podrían tener un impacto directo en las propiedades observables de la materia», dijo Ye, y el equipo pudo usar eso para «profundizar en los orígenes de la interferencia entre el magnetismo y la onda de densidad de carga» en hierro y germanio.

Hicieron esto usando una combinación de Dispersión de neutrones inelástica Experimentos realizados en ORNL y Espectroscopia de fotoemisión de ángulo Experimentos realizados en LBNL Fuente de luz avanzada y SLAC Radiación de luz de sincrotrón de Stanfordasí como en laboratorio en Arroz.

«Estas sondas nos permitieron observar lo que hacen tanto los electrones como la red a medida que se forma la onda de densidad de carga», dijo.

Day dijo que los resultados confirman la hipótesis del equipo de que el orden de carga y el orden magnético están relacionados en el hierro y el germanio. «Este es uno de los muy pocos, si no el único, ejemplos conocidos de materia Kagome donde el magnetismo se forma primero, preparando el escenario para la alineación de carga», dijo.

Ye dijo que el trabajo muestra cómo la curiosidad y la investigación básica de los fenómenos naturales pueden eventualmente conducir a la ciencia aplicada.

«Como físicos, siempre nos emocionamos cuando encontramos materiales que espontáneamente forman un arreglo de algún tipo», dijo. «Esto significa que tenemos la oportunidad de aprender sobre las capacidades de autoorganización de las partículas fundamentales de los materiales cuánticos. Solo con este tipo de comprensión podemos esperar algún día diseñar materiales con propiedades nuevas o exóticas que podamos controlar a voluntad». .”

Day es el Profesor Sam y Helen Worden de Física y Astronomía. Tanto Dai como Yi son miembros de la Iniciativa de cantidad de arroz Centro de arroz para materiales cuánticos (rcqm).

La investigación en Rice fue apoyada por la Iniciativa EPiQS de la Fundación Gordon y Betty Moore (GBMF9470), la Fundación Welch (C-2024, C-1839), el Departamento de Energía (DE-SC0021421) y la Fundación Nacional de Ciencias (2100741 , 1921847).

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Documento de revisión por pares:

“Orden de ondas magnéticas y densidad de carga en kagome FeGe”. física de la naturaleza | DOI: 10.1038/s41567-023-01985-w

Autores: Xiaokun Teng, Ji Seop Oh, Hengxin Tan, Lebing Chen, Jianwei Huang, Bin Gao, Jia-Xin Yin, Jiun-Haw Chu, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Chris Jozwiak y Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Garrett E. Granroth, Binghai Yan, Robert J. Birgeneau, Pengcheng Dai y Ming Yi

https://doi.org/10.1038 / s41567-023-01985-w

Descargas de imágenes:

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Leyenda: (izquierda) Kagome Lattice; (centro) Superficie de Fermi de la fase magnética del germanio hierro antes del inicio de la onda de densidad de carga; (Derecha) Superficie de Fermi de hierro y germanio después del inicio de la onda de densidad de carga. (Figura y fotos cortesía de la Universidad Ming Yi / Rice)

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Leyenda: (arriba) Kagome Lattice; (centro) Superficie de Fermi de la fase magnética del germanio hierro antes del inicio de la onda de densidad de carga; (Abajo) Superficie de Fermi de hierro y germanio después del inicio de la onda de densidad de carga. (Figura y fotos cortesía de la Universidad Ming Yi / Rice)

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Leyenda: Meng Ye (Foto de Jeff Vitlow/Universidad Rice)

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Leyenda: Pengcheng Dai (Foto de Jeff Vitlow/Universidad Rice)

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Esta versión se puede encontrar en línea en noticias.arroz.edu.

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