Кагоме-магнетики: как ученые переосмысливают фундамент магнетизма

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Мир квантовой физики, полный тайн и парадоксов, вновь приоткрывает завесу своих секретов. На этот раз в центре внимания — магнетизм, точнее, его необычное проявление в материалах с кагоме-решеткой. Эти материалы, названные в честь японского узора плетения корзин, обладают уникальной структурой, напоминающей сеть из треугольников. Именно эта структура, как выяснилось, способна порождать удивительные квантовые эффекты, открывающие новые горизонты для квантовых вычислений и высокотемпературной сверхпроводимости.

Долгое время считалось, что за магнетизм в кагоме-металлах ответственны подвижные электроны, свободно перемещающиеся по кристаллической решетке. Однако недавнее исследование, проведенное физиками Университета Райса, переворачивает это представление. Используя тончайшие пленки железо-олово (FeSn) в качестве модельного материала, ученые обнаружили, что ключевую роль в формировании магнитных свойств играют не подвижные, а локализованные электроны, «привязанные» к определенным атомам решетки.

Кагоме-металл, иллюстрация
Кагоме-металл, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Этот вывод, опубликованный в Nature Communications, стал настоящей сенсацией. Он не только бросает вызов устоявшимся теориям, но и открывает совершенно новые перспективы для материаловедения. Теперь, понимая истинную природу магнетизма в кагоме-металлах, мы можем целенаправленно разрабатывать материалы с заданными магнитными свойствами, «настраивая» их под конкретные задачи.

a Схема кристаллической и магнитной структуры FeSn. Коричневые и синие сферы обозначают атомы Fe и Sn, соответственно. b RHEED-изображение SrTiO3(111) и пленки FeSn. c Намагниченность как функция температуры, полученная при приложении магнитного поля 0,1 Т параллельно ab-плоскости. d Карта FS, полученная при 45 K, наложенная на границы BZ. Зеленые и фиолетовые стрелки указывают на разрезы, показанные в (f, g). e Контуры постоянной энергии для той же области k-пространства, что и в (d). Синие сплошные и пунктирные линии обозначают дисперсии Дирака. f, Срезы, сделанные при 83 K, и их интегрированные по импульсу EDC. h Схема расщепления полосы кагома через TC, вызванного странствующим магнетизмом плоской полосы. Красные и синие стрелки обозначают противоположные спины. i Схема стойкого расщепления полос и уменьшающейся спиновой поляризации над TC в сценарии локального момента. Пунктирные линии указывают на два вырожденных случая обменного расщепления для локальных моментов спина вверх и спина вниз. j Схемы компактных молекулярных и атомных орбиталей и их локальных моментов в различных режимах U. Размер и цвет заполненных кружков указывают на амплитуду и фазу функции Ваннье. Цитирование: Ren, Z., Huang, J., Tan, H. et al. Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nat Commun 15, 9376 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3
a Схема кристаллической и магнитной структуры FeSn. Коричневые и синие сферы обозначают атомы Fe и Sn, соответственно. b RHEED-изображение SrTiO3(111) и пленки FeSn. c Намагниченность как функция температуры, полученная при приложении магнитного поля 0,1 Т параллельно ab-плоскости. d Карта FS, полученная при 45 K, наложенная на границы BZ. Зеленые и фиолетовые стрелки указывают на разрезы, показанные в (f, g). e Контуры постоянной энергии для той же области k-пространства, что и в (d). Синие сплошные и пунктирные линии обозначают дисперсии Дирака. f, Срезы, сделанные при 83 K, и их интегрированные по импульсу EDC. h Схема расщепления полосы кагома через TC, вызванного странствующим магнетизмом плоской полосы. Красные и синие стрелки обозначают противоположные спины. i Схема стойкого расщепления полос и уменьшающейся спиновой поляризации над TC в сценарии локального момента. Пунктирные линии указывают на два вырожденных случая обменного расщепления для локальных моментов спина вверх и спина вниз. j Схемы компактных молекулярных и атомных орбиталей и их локальных моментов в различных режимах U. Размер и цвет заполненных кружков указывают на амплитуду и фазу функции Ваннье. Цитирование: Ren, Z., Huang, J., Tan, H. et al. Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nat Commun 15, 9376 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3
Автор: Ren, Z., Huang, J., Tan, H. et al. Источник: www.nature.com

Ключом к разгадке послужил анализ электронной структуры FeSn. С помощью современных методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия и угловая фотоэлектронная спектроскопия, ученые смогли «заглянуть» внутрь материала и увидеть, как ведут себя электроны. Оказалось, что даже при высоких температурах характерные для кагоме-решетки «плоские зоны» в энергетическом спектре электронов остаются расщепленными. Этот факт однозначно указывает на доминирующую роль локализованных электронов в формировании магнитных свойств.

a-d орбитально-проектированные DFT-расчеты для полос спинового большинства и спинового меньшинства. и разрезы наложены на полосы спинового большинства и спинового меньшинства, соответственно. Зеленые стрелки в (a) указывают на рассчитанные электронные полосы, которые не совпадают с разрезом. Серые стрелки в (b-d) отмечают совпадающие части экспериментальных и рассчитанных полос. Синими стрелками в (a-d) отмечены рассчитанные VHS. Цитирование: Ren, Z., Huang, J., Tan, H. et al. Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nat Commun 15, 9376 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3
a-d орбитально-проектированные DFT-расчеты для полос спинового большинства и спинового меньшинства. и разрезы наложены на полосы спинового большинства и спинового меньшинства, соответственно. Зеленые стрелки в (a) указывают на рассчитанные электронные полосы, которые не совпадают с разрезом. Серые стрелки в (b-d) отмечают совпадающие части экспериментальных и рассчитанных полос. Синими стрелками в (a-d) отмечены рассчитанные VHS. Цитирование: Ren, Z., Huang, J., Tan, H. et al. Persistent flat band splitting and strong selective band renormalization in a kagome magnet thin film. Nat Commun 15, 9376 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53722-3
Автор: Ren, Z., Huang, J., Tan, H. et al. Источник: www.nature.com

Более того, исследование выявило еще один важный аспект: неодинаковую силу взаимодействия между различными электронными орбиталями. Это явление, известное как селективная перенормировка зон, ранее наблюдалось в железосодержащих сверхпроводниках, но его роль в кагоме-магнитах до сих пор оставалась неясной. Теперь же становится очевидным, что именно эта «избирательность» взаимодействий вносит существенный вклад в сложную картину магнитного поведения.

Открытие, сделанное физиками Университета Райса, — это не просто еще один шаг в понимании фундаментальных законов природы. Это прорыв, который может привести к созданию совершенно новых технологий. Контролируя взаимодействие локализованных электронов в кагоме-материалах, мы сможем создавать высокотемпературные сверхпроводники, а также реализовывать сложные квантовые состояния, необходимые для построения квантовых компьютеров. Будущее квантовых технологий становится ближе.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Куда пропала «картинка в картинке» в телевизорах, хотя экраны стали больше

На некоторых старых телевизионных пультах была кнопка PIP. Нажимаешь её — и поверх основной передачи появляется маленькое окно с другим каналом. Можно смотреть фильм и одновременно...

Они правили морями задолго до динозавров, но их ближайший родственник — морской червь: от кого произошли первые панцирные животные?

Более пятисот миллионов лет назад, в начале кембрийского периода, на планете произошел резкий скачок биологического разнообразия. В океанах появились практически все современные типы многоклеточных...

Чувствуют ли кошки стресс хозяина: ученые выяснили, как питомцы реагируют на наши гормоны

Взаимодействие человека и домашних животных привлекает внимание биологов уже несколько десятилетий. Однако подавляющая часть накопленных научных данных касается собак. Исследования неоднократно...

Зачем на советских усилителях была кнопка „Тонкомпенсация“ и когда её стоило нажимать

Стоило вечером убавить громкость, и знакомая запись словно теряла часть звучания. Голос оставался хорошо различимым, а бас становился слабее, ударные — менее выразительными. Нажатие...

На статуях Терракотовой армии нашли 79 отпечатков пальцев: кто создавал глиняную армию императора

Весной 1974 года крестьяне, копавшие колодец недалеко от китайского города Сиань, наткнулись на твердые обожженные черепки и глиняные головы. Вскоре на это место прибыли археологи. Так начались...