Os materiais quânticos emergentes podem ser definidos pela topologia e fortes correlações de elétrons, embora suas aplicações em sistemas experimentais sejam relativamente limitadas. Os semimetais de Weyl que incorporam magnetismo oferecem uma plataforma única e fértil para explorar fenômenos emergentes no desenvolvimento de matéria topológica e spintrônica topológica. O antiferroímã triangular Mn ₃ Sn exibe muitas propriedades físicas exóticas como um semimetal Weyl (WSM) antiferromagnético (AFM), incluindo um efeito Hall espontâneo atraente.

O efeito Hall espontâneo foi descoberto há mais de um século e compreendido em termos de quebra de simetria de reversão do tempo pela estrutura de spin interno do antiferromagnético, formas ferromagnéticas ou skyrmionic (pequenos defeitos topológicos em redemoinho na magnetização).

Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Durga Khadka e uma equipe de cientistas da física, Ciência de materiais, a pesquisa e engenharia de nêutrons nos EUA relataram a síntese de Mn epitaxial _{3 + x} Sn _{1 − x} filmes com composições semelhantes às amostras a granel. Quando eles substituíram os átomos de estanho (Sn) por átomos de manganês magnético (Mn) nas amostras, eles notaram o efeito Kondo; um exemplo célebre de fortes correlações que surgiram, em seguida, desenvolva coerência e induza uma lacuna de energia de hibridização. O processo de dopagem magnética e abertura de gap facilitou ricas propriedades extraordinárias para os novos materiais.

Semimetais Weyl e o efeito Kondo

Os cientistas de materiais estudam a topologia da estrutura de bandas e o design dos materiais como uma característica cada vez mais importante, contribuindo para muitos comportamentos exóticos em novos materiais quânticos. A teoria de bandas ou estrutura de bandas define o comportamento quântico-mecânico dos elétrons em sólidos. A topologia da estrutura de banda é crítica para entender o desenvolvimento de semimetais topológicos sem intervalos, como semimetais de Weyl (WSMs) e semimetais de Dirac que são análogos tridimensionais (3-D) do grafeno.

Os semimetais de Weyl são cristais de estado sólido com excitações de baixa energia, conhecidos como férmions de Weyl, que carregam carga elétrica em temperatura ambiente. As bandas de condução e valência dos WSMs se cruzam em pontos específicos no espaço de momento, conhecidos como nós de Weyl, e seu espaçamento, por sua vez, dita a magnitude do efeito Hall anômalo intrínseco - um efeito observado em sólidos com simetria de reversão de tempo quebrada ou conservação de entropia. Os nós de Weyl aparecem como pares não degenerados com quiralidade oposta. O trabalho até agora em WSMs tem se concentrado em sistemas de interação fraca com uma necessidade crescente de incluir os efeitos de fortes correlações de elétrons. O efeito Kondo é um exemplo clássico de comportamento fortemente correlacionado originado do acoplamento entre os spins dos elétrons de condução e os momentos magnéticos locais. Este trabalho sugere WSMs como uma plataforma fértil para estudar novas fases quânticas devido à interação entre a física de Weyl e Kondo.

A equipe selecionou o metal semi-magnético de Weyl antiferromagnético (WSM) Mn ₃ Sn como um material promissor para estudar os conceitos. No Mn ₃ Estrutura hexagonal Sn, os átomos de Mn formaram uma rede Kagome 2-D (um padrão tecido composto de triângulos entrelaçados) com átomos de Sn situados nos centros dos hexágonos. Os cientistas usaram medições de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) para observar as características estruturais. As excelentes propriedades topológicas e spintrônicas ao lado de fortes correlações fizeram com que Mn ₃ É uma plataforma ideal para estudar física multifacetada entre topologia, magnetismo, correlações fortes e spintrônica antiferromagnética emergente.

Khadka et al. desenvolveram filmes epitaxiais de alta qualidade e observaram efeitos Kondo em filmes com excesso de Mn, que atuou como dopante no sistema após a substituição de Sn. Quando eles aumentaram o doping Mn, o sistema desenvolveu a coerência Kondo e abriu uma lacuna de hibridização. The Mn ₃ Sn exibiu um efeito Hall fortemente anisotrópico. A equipe usou co-sputtering de alvos Mn e Sn para realizar o crescimento epitaxial e criar Mn _{3 + x} Sn _{1 − x} filmes. Usando padrões de difração de raios-X (XRD), eles notaram a ausência de picos de impureza no material e, usando microscopia de força atômica, eles notaram que a rugosidade da superfície era de cerca de 0,4 nanômetros. Estudos de pesquisa anteriores mostraram a estabilidade do Mn hexagonal ₃ Filmes de Sn após o excesso de átomos de Mn substituíram os átomos de Sn. Consequentemente, dopagem com Mn ajustou efetivamente a topologia da estrutura de banda e os efeitos Hall em Mn _{3 + x} Sn _{1 − x} Os filmes permitiram que os cientistas explorassem correlações novas e incomuns para entender a interação entre Weyl e a física de correlação em uma plataforma ideal.

A equipe ainda mostrou evidências mais fortes de abertura de lacunas dos filmes usando medições de rotação de Faraday em terahertz. Quando eles doparam o semimetal de Weyl (WSM) com átomos magnéticos de Mn, eles notaram uma possível transição do efeito Kondo para o isolador Kondo; uma nova classe de matéria topológica, onde os efeitos foram independentes da orientação de crescimento cristalino. Uma vez que a grande resistência anômala espontânea de Hall (AHR) decorrente dos nódulos de Weyl anteriormente formava uma característica de transporte saliente no volume de Mn ₃ Sn, Khadka et al. identificou de forma semelhante a natureza Weyl da película fina usada aqui com as medições de Hall. Os cálculos de resistividade total de Hall consideraram a magnetização, coeficiente Hall comum e permeabilidade magnética para as resistências Hall incomuns resultantes nos filmes.

Magnetoresistência incomum

Khadka et al. então registrou magnetorresistência negativa (NMR) como outra importante característica de transporte em semimetais de Weyl devido à anomalia quiral do material. Por exemplo, quando eles aplicaram um campo magnético ao longo da direção da corrente, uma corrente de carga quiral dirigiu de um nó de Weyl para sua contraparte com quiralidade oposta. A corrente quiral combinada melhorou a condutividade elétrica durante o experimento, dando origem à magnetorresistência negativa (NMR) - uma característica que demonstrou as consequências da dopagem de átomos magnéticos de Mn.

Desta maneira, Durga Khadka e seus colegas desenvolveram o antiferromagnético Weyl semimetal Mn _{3 + x} Sn _{1 − x} filmes finos com qualidade de amostra superior. A empolgante classe de materiais forneceu uma plataforma para estudar a interação entre fortes correlações de elétrons, topologia e magnetismo. A equipe substituiu o estanho (Sn) por manganês magnético (Mn) para realizar um efeito Kondo que levou a abrir uma lacuna de hibridização, acompanhada com diminuição da resistência Hall. O trabalho constitui a base para estudos adicionais sobre materiais relacionados, incluindo localização de elétrons por dopagem de átomos com diversos elementos, incluindo ferro, cobalto, cobre ou gadolínio. A equipe pode ajustar ainda mais o acoplamento spin-órbita dos filmes finos por dopagem de elementos pesados ​​como o chumbo (Pb).

Uma vez que os materiais antiferromagnéticos colineares convencionais não exibem efeitos anômalos de resistência Hall devido às suas propriedades de magnetização cada vez menores, eles não são bons candidatos para spintrônica antiferromagnética. Em contraste, as ricas texturas de rotação colinear, e resistências substanciais de Hall do Mn ₃ A família Sn de compostos introduzida neste trabalho o torna um candidato promissor para tais aplicações. Esses filmes finos oferecerão novos paradigmas para impulsionar o campo emergente da spintrônica antiferromagnética topológica para desenvolver novos dispositivos baseados em spin.

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