Como tantos alvos da investigação científica, a classe de material conhecida como ímã kagome provou ser uma fonte tanto de frustração quanto de espanto. Revelar ainda mais as propriedades quânticas do ímã kagome é visto como um dos principais desafios da física fundamental - tanto para teóricos quanto para experimentalistas.

Uma geometria incomum subjacente do arranjo atômico é fundamental para o valor desses materiais. As redes Kagome são descritas como teias de intersecção de "triângulos de canto compartilhado" e são valorizadas pelo comportamento único dos elétrons que atravessam, terreno fértil para o estudo de estados eletrônicos quânticos descritos como frustrados, correlacionados e topológicos.

Um estudo recente de um grupo internacional de pesquisadores, publicado no jornal Natureza , descobriram que o ferromagneto kagome Fe3Sn2 exibe um estado eletrônico que se acopla de maneira incomumente forte a um campo magnético aplicado que pode ser girado para apontar em qualquer direção de um espaço tridimensional, revelando em escala quântica uma mudança de energia eletrônica impulsionada por magnetização "gigante" ocorrendo dentro do material.

Essa mudança de energia lança uma nova luz sobre a presença de acoplamento spin-órbita e texturas de spin topológicas em redes kagome, onde estruturas magnéticas e eletrônicas estão emaranhadas e produzem atividade de rotação-órbita incomum - muitas vezes anteriormente desconhecida, disse o professor de física do Boston College, Ziqiang Wang, um co-autor do relatório, intitulado "Ajustabilidade spin-órbita gigante e anisotrópica em um ímã kagome fortemente correlacionado."

"Descobrimos duas coisas. A primeira é que o estado eletrônico do Fe3Sn2 é nemático, um estado que quebra espontaneamente a simetria de rotação. Os elétrons se comportam como um cristal líquido dentro deste ímã, presumivelmente devido à forte interação elétron-elétron, "disse Wang." A segunda coisa que descobrimos é que você pode manipular e fazer grandes mudanças na estrutura de energia do elétron por meio do ajuste da estrutura magnética pela aplicação de um campo magnético. "

Wang, um físico teórico, e o estudante de graduação Kun Jiang, Ph.D., que têm estudado novos estados eletrônicos quânticos resultantes da interação da interação elétron-elétron, frustração geométrica, e estruturas de bandas topológicas, juntou-se a colegas experimentalistas que notaram pela primeira vez a atividade eletrônica incomum enquanto estudavam o material usando microscopia de varredura por tunelamento.

A equipe - que incluía pesquisadores de BC, Universidade de Princeton, Academia Chinesa de Ciências, Universidade Renmin, e a Universidade de Pequim - usaram STM e ferramentas de campo magnético vetorial para identificar as propriedades eletrônicas acopladas spin-órbita do ferromagneto kagome e exploraram os fenômenos exóticos dentro dele, durante a execução de modelagem e cálculos para fornecer interpretação teórica e compreensão dos fenômenos observados.

"O que nossos colegas descobriram é que, ao mudar a direção do campo magnético, eles viram mudanças nos estados eletrônicos que são anormalmente grandes, "disse Wang." As mudanças das bandas - existem lacunas nas bandas, regiões proibidas na mecânica quântica onde os elétrons não podem residir - essas regiões podem ser enormemente ajustadas pelo campo magnético aplicado. "

O "deslocamento da banda" é uma mudança na estrutura da banda eletrônica, disse Wang. Ele expande e estreita o gap dependendo das direções do campo magnético. O ferromagneto kagome mostrou um deslocamento aproximadamente 150 vezes maior do que os materiais comuns.

Sondar os padrões de interferência das funções de onda da mecânica quântica do elétron revelou uma nematicidade espontânea consistente - uma indicação de correlação eletrônica importante que causa a quebra da simetria de rotação do estado eletrônico no material.

Essas respostas eletrônicas gigantes acionadas por spin indicaram a possibilidade de uma fase topológica magnética correlacionada subjacente, os pesquisadores relataram. A sintonia do ímã kagome revelou uma forte interação entre um campo magnético aplicado externamente e a nematicidade, fornecendo novas maneiras de controlar propriedades de spin-órbita e explorar fenômenos emergentes em materiais topológicos ou quânticos, a equipe escreveu.

A sintonia do campo magnético gigante das propriedades elétricas pode um dia levar a aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos, como memória e armazenamento de informações e tecnologias de detecção, disse Wang.

"O que é empolgante nesses resultados é o potencial de realizar algo útil, "disse Wang." Isso vem de uma física muito fundamental, mas pode um dia se conectar a aplicativos. Não entendemos tudo, mas agora sabemos que este é um material que contém todos esses ingredientes importantes. "