Em materiais sólidos, o magnetismo geralmente se origina do alinhamento dos spins dos elétrons. Por exemplo, no ferro ferromagnético, a magnetização líquida geral é provocada pelo alinhamento dos spins na mesma direção.



Nos últimos anos, físicos e cientistas de materiais identificaram materiais nos quais o magnetismo surge de forma diferente, devido a fatores topológicos. Desde então, muitos estudos têm como objetivo descobrir novos materiais que exibam essas formas não convencionais de magnetismo.

Pesquisadores do Boston College, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, da Universidade de Wurzburg e de outros institutos observaram recentemente magnetismo de origem topológica em um metal kagome de bicamada, nomeadamente TbV₆ Sn₆ . O artigo deles, publicado na Nature Physics , descobriu um efeito Zeeman orbital colossal aprimorado pela curvatura Spin Berry em TbV₆ Sn₆ .

“Em alguns materiais novos, o magnetismo pode surgir de outras maneiras, por exemplo, a partir da topologia de bandas eletrônicas”, disse Ilija Zeljkovic, coautora do artigo, ao Phys.org.

"Alguns estados eletrônicos podem adquirir uma propriedade chamada curvatura de Berry, que por sua vez pode levar a momentos magnéticos orbitais associados a estados eletrônicos específicos. Curiosamente, esses momentos magnéticos orbitais podem ser enormes, muito maiores do que um spin individual."

O objetivo principal do estudo recente de Zeljkovic e seus colegas foi sondar os momentos orbitais especiais relatados em trabalhos anteriores, especificamente no material kagome TbV₆ Sn₆ . Além disso, esperavam compreender melhor como estes momentos respondiam aos campos magnéticos.

"Os materiais Kagome em geral foram propostos para exibi-los devido à geometria da rede que pode naturalmente dar origem a bandas planas topológicas sem dispersão e pontos de Dirac, pontos especiais onde bandas de dispersão linear se cruzam", disse Zeljkovic. "A curvatura de Berry e a curvatura spin-Berry tendem a ser substanciais perto dos pontos de Dirac se o ponto de Dirac estiver aberto, o que leva a grandes momentos magnéticos orbitais e facilita sua observação."

Os pesquisadores examinaram seu TbV₆ Sn₆ amostra usando uma técnica conhecida como microscopia e espectroscopia de tunelamento de varredura (STM/S). Esta técnica envolve o uso de uma ponta metálica afiada colocada próxima à superfície da amostra (isto é, dentro de alguns Angstroms) para medir a corrente de tunelamento em função da posição da ponta.

"A corrente de tunelamento contém informações sobre a densidade de estados eletrônicos (DOS), ou quantos estados eletrônicos temos disponíveis em qualquer energia para os elétrons ocuparem", explicou Zeljkovic. "Realizamos mapeamento espectroscópico espacial do DOS usando STM para mapear estados eletrônicos em função da energia e do momento."

Zeljkovic e os seus colegas repetiram posteriormente a mesma experiência centrando-se nos campos magnéticos, com o objectivo de descobrir a evolução destes estados electrónicos em campos magnéticos. Este segundo experimento permitiu-lhes extrair os momentos magnéticos orbitais associados aos estados eletrônicos individuais.

"Descobrimos que os momentos magnéticos orbitais próximos ao ponto Dirac são centenas de vezes maiores do que os momentos magnéticos associados ao spin do elétron", disse Zeljkovic. "Também visualizamos como os estados eletrônicos degenerados com curvatura Spin Berry oposta se deformam em campos magnéticos em direções opostas, um fenômeno que chamamos de divisão orbital de Zeeman."

Os investigadores observaram que a divisão da degenerescência da banda electrónica na sua amostra era surpreendentemente grande, e o seu tamanho estava enraizado na sua grande curvatura spin-Berry subjacente. Seus resultados experimentais foram posteriormente corroborados por uma série de cálculos teóricos.

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores reuniu informações interessantes sobre estados magnéticos não convencionais de origem topológica. No futuro, suas descobertas poderão inspirar novos esforços de pesquisa investigando outros grandes momentos magnéticos orbitais impulsionados pela curvatura de Berry, como aqueles observados anteriormente em algumas estruturas baseadas em grafeno.

“No material que examinamos, grandes momentos magnéticos orbitais estão associados a estados distantes do nível de Fermi”, acrescentou Zeljkovic. "Se for possível ajustar o material para que esses estados eletrônicos possam emergir perto do nível de Fermi, por exemplo, por deformação ou dopagem química, esses momentos podem potencialmente dar origem ao magnetismo orbital que também pode ser detectado por outras sondas experimentais, e potencialmente útil para baixo. aplicações de última geração em dispositivos."