Des expériences révèlent un lien entre des états entrelacés dans le métal “kagome”

Dans une étude publiée cette semaine dans physique naturelle, Les physiciens de l’Université Rice, Ming Yi et Pengcheng Dai, et nombre de leurs collaborateurs de l’étude de 2022, présentent un éventail de preuves expérimentales qui montrent que leur découverte d’ondes de densité de charge était encore plus rare, un cas où les ordres magnétiques et électroniques ne coexistent pas simplement mais sont directement liés.

“Nous avons découvert que le magnétisme modifie subtilement le paysage des états d’énergie électronique dans le matériau d’une manière qui favorise et prépare à la fois la formation de l’onde de densité de charge”, a déclaré Yi, co-auteur correspondant de l’étude.

L’étude a été co-écrite par plus d’une douzaine de chercheurs de Rice; Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL); Laboratoire national des accélérateurs SLAC ; Laboratoire national Lawrence Berkeley (LBNL); l’Université de Washington; l’Université de Californie, Berkeley; l’Institut des sciences Weizmann d’Israël ; et l’Université des sciences et technologies du sud de la Chine.

Les matériaux fer-germanium sont des cristaux de réseau kagome, une famille de matériaux très étudiée présentant des arrangements 2D d’atomes rappelant le motif de tissage des paniers kagome japonais traditionnels, qui comporte des triangles équilatéraux qui se touchent aux coins.

“Les matériaux de Kagome ont récemment pris d’assaut le monde des matériaux quantiques”, a déclaré Yi. “Ce qui est cool avec cette structure, c’est que la géométrie impose des contraintes quantiques intéressantes sur la façon dont les électrons sont autorisés à zoomer, quelque peu analogues à la façon dont les ronds-points affectent le flux de trafic et parfois l’arrêtent.”

Par nature, les électrons s’évitent. Une façon de procéder consiste à ordonner leurs états magnétiques – des spins qui pointent vers le haut ou vers le bas – dans la direction opposée aux spins de leurs voisins.

Dai, un auteur co-correspondant de l’étude, a déclaré : “Lorsqu’ils sont placés sur des réseaux kagome, les électrons peuvent également apparaître dans un état où ils sont bloqués et ne peuvent aller nulle part en raison des effets d’interférence quantique.”

Lorsque les électrons ne peuvent pas se déplacer, la disposition triangulaire produit une situation où chacun a trois voisins, et il n’y a aucun moyen pour les électrons d’ordonner collectivement tous les spins voisins dans des directions opposées. La frustration inhérente aux électrons dans les matériaux de réseau de Kagome est reconnue depuis longtemps.

Yi a déclaré que le réseau restreint les électrons d’une manière qui “peut avoir un impact direct sur les propriétés observables du matériau”, et l’équipe a pu l’utiliser “pour sonder plus profondément les origines de l’entrelacement du magnétisme et de l’onde de densité de charge”. en fer-germanium.

Ils l’ont fait en utilisant une combinaison d’expériences de diffusion inélastique des neutrons, qui ont été réalisées à l’ORNL, et d’expériences de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire qui ont été réalisées à la source lumineuse avancée de LBNL et à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford de SLAC, ainsi que dans le laboratoire de Yi à Rice.

“Ces sondes nous ont permis de voir ce que faisaient à la fois les électrons et le réseau alors que l’onde de densité de charge prenait forme”, a-t-elle déclaré.

Dai a déclaré que les résultats ont confirmé l’hypothèse de l’équipe selon laquelle l’ordre de charge et l’ordre magnétique sont liés dans le fer-germanium. “C’est l’un des rares, sinon le seul, exemple connu d’un matériau kagome où le magnétisme se forme en premier, préparant la voie à l’alignement des charges”, a-t-il déclaré.

Yi a déclaré que le travail montre comment la curiosité et la recherche fondamentale sur les phénomènes naturels peuvent éventuellement conduire à la science appliquée.

“En tant que physiciens, nous sommes toujours excités lorsque nous trouvons des matériaux qui forment spontanément un ordre quelconque”, a-t-elle déclaré. “Cela signifie que nous avons une chance d’en apprendre davantage sur les capacités d’auto-organisation des particules fondamentales des matériaux quantiques. Ce n’est qu’avec ce type de compréhension que nous pourrons un jour espérer concevoir des matériaux avec des propriétés nouvelles ou exotiques que nous pourrons contrôler à volonté. .”

Dai est le professeur Sam et Helen Worden de physique et d’astronomie. Dai et Yi sont chacun membres de la Rice Quantum Initiative et du Rice Center for Quantum Materials (RCQM).

La recherche à Rice a été soutenue par l’initiative EPiQS de la Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF9470), la Welch Foundation (C-2024, C-1839), le Department of Energy (DE-SC0021421) et la National Science Foundation (2100741, 1921847 ).