Desde 2016, uma equipe de pesquisadores do MIT composta por alunos de graduação Linda Ye e Min Gu Kang, professor associado de física Joseph G. Checkelsky, e o Professor Assistente de Física da Classe de Desenvolvimento de Carreira de 1947, Riccardo Comin, concentrou-se em explorar a estrutura eletrônica que surge quando átomos de ferro (Fe) e estanho (Sn) se combinam em padrões repetidos que se parecem com cestas de kagome japonesas, ou a estrela de David. O comportamento eletrônico dessas estruturas "kagome" cristalinas varia com a proporção de átomos de ferro para estanho, geralmente três a dois ou três a um.

Ano passado, os membros da equipe do MIT e seus colegas relataram que Fe ₃ Sn ₂ , um composto com uma proporção de três para dois de ferro para estanho, gera férmions de Dirac - um tipo especial de estado eletrônico no qual o spin do elétron e a órbita do elétron estão acoplados um ao outro. Este estado especial do movimento do elétron é protegido pela topologia, ou estrutura geométrica, do cristal.

Os compostos de ferro-estanho são de particular interesse porque o magnetismo natural dos átomos de ferro afeta ainda mais seu comportamento eletrônico, em particular, fazendo com que os spins dos elétrons vizinhos alternem em direções opostas (sentido horário ou anti-horário), que é chamado de antiferromagnetismo. Em um relatório publicado em 9 de dezembro em Materiais da Natureza , esses pesquisadores e 18 co-autores nos Estados Unidos e em outros lugares descobriram que em um composto de estanho-ferro um para um, a simetria da rede kagome é especial, hospedando simultaneamente tanto partículas infinitamente leves sem massa (chamadas férmions de Dirac) e partículas infinitamente pesadas (que se manifestam experimentalmente como bandas planas na estrutura eletrônica do material).

"Nosso estudo combina vários campos da física (topologia, magnetismo, e elétrons fortemente correlacionados) em uma única plataforma de metais kagome ideais, "diz o coautor Min Gu Kang, um estudante de graduação em física. "Acreditamos que o aproveitamento do rico e exclusivo espectro eletrônico do FeSn pode ser a base de novas fases topológicas e dispositivos spintrônicos."

Perceber experimentalmente essa estrutura especial de banda eletrônica foi especialmente difícil porque, em compostos reais de kagome, interferência com uma rede "ideal" vem de elétrons interagindo entre camadas, elétrons saltando para átomos vizinhos mais próximos, e os múltiplos graus de liberdade orbitais de cada elétron. Recentemente, em 2014, A professora Maria Roser Valenti, da Goethe University Frankfurt, na Alemanha, escreveu na Nature Communications que essa estrutura de banda kagome ideal é "mais uma curiosidade numérica de um modelo simplificado do que um recurso acessível em materiais reais".

Um grande avanço no trabalho atual foi a síntese do composto FeSn um para um. A estrutura deste composto de ferro-estanho difere dos compostos de kagome previamente estudados, porque cada camada de ferro-estanho com uma estrutura kagome é bem separada por uma camada espaçadora consistindo apenas de átomos de estanho. Nesta estrutura, cada camada kagome ferro-estanho se comporta como uma camada kagome bidimensional dentro do cristal kagome tridimensional, preparando o palco para realizar uma estrutura de banda kagome ideal.

Os pesquisadores confirmaram suas descobertas sobre a estrutura eletrônica de um para um ferro-estanho combinando duas sondas de estrutura eletrônica complementares:espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) e experimentos de oscilação quântica de Haas-van Alphen. Os alunos de pós-graduação Kang e Abraham L. Levitan do grupo de Riccardo Comin realizaram os experimentos ARPES na Advanced Light Source em Berkeley, Califórnia, e a estudante graduada Linda Ye do grupo de Joe Checkelsky realizaram experimentos de oscilação quântica de Haas-van Alphen no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético em Tallahassee, Flórida, e Los Alamos, Novo México.

Seus experimentos ARPES dependentes de polarização e energia de fótons demonstram inequivocamente a emergência simultânea de férmions de Dirac e bandas planas perto da energia de Fermi, dizem os pesquisadores. "Isso concretiza plenamente as tão procuradas estruturas eletrônicas kagome, e aumenta o FeSn como o primeiro kagome metal "ideal", "Kang diz.

Por causa das camadas contrastantes em um para um ferro-estanho - camadas de átomos de ferro e estanho estruturados em um "tipo estrela do xerife" ou padrão "kagome" alternando com camadas de átomos de estanho apenas - os pesquisadores descobriram outro aspecto único deste material . Quando o material é fatiado, a nova superfície revelada se comporta de maneira diferente, quer exponha uma camada somente de estanho ou uma camada de estanho-ferro. Esta estrutura eletrônica de superfície diferente foi confirmada pelo feixe de fótons microfocado da linha de luz MAESTRO na Fonte de Luz Avançada. Esta combinação de comportamentos eletrônicos bidimensionais e tridimensionais em um único material pode ser aproveitada para projetar dispositivos spintrônicos de comutação rápida / baixa potência, supercondutores de spin, e um efeito Hall anômalo quântico de alta temperatura, dizem os pesquisadores.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.