Wenn es um geschichtete Quantenmaterialien geht, kratzt das Stromverständnis nur die Oberfläche; Demonstriert also eine neue Studie des Paul Scherrer Institute PSI. Unter Verwendung einer fortschrittlichen Röntgenspektroskopie an den SLS der Schweizer Lichtquelle entdeckten die Forscher magnetische Phänomene, die von unerwarteten Wechselwirkungen zwischen den Schichten eines Kagom-Ferromagnet aus Eisen und Zinn angetrieben wurden. Diese Entdeckung fordert die Annahmen über geschichtete Legierungen gemeinsamer Metalle in Frage und bietet einen Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer magnetoelektrischer Geräte und seltener Erdfreier Motoren.
Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikation.
Muster sind alles. Bei Quantenmaterialien ist es nicht nur das, woraus sie bestehen, sondern auch, wie ihre Atome oder Moleküle organisiert sind, die zu den exotischen Eigenschaften führen, die Forscher mit ihrem Versprechen für zukünftige Technologien begeistern.
Graphen zeigte dies der Welt: In einzelnen Schichten eines hexagonalen Gitters arrangiert, könnten gemeinsame oder gardene Kohlenstoffatome außergewöhnliche elektronische Eigenschaften aufweisen. Untersuchungen im letzten Jahrzehnt haben sich seitdem dafür einsetzt, herauszufinden, ob andere zweidimensionale Arrays von Atomen allein oder in ein dreidimensionales Material gestapelt sind, das ähnlich neuartige Verhaltensweisen aufzeigen können.
Das Kagome-Gitter, das seinen Namen von einer Art japanischer Korb hat, der in Eckdreiecken gewebt wird, ist ein weiteres zweidimensionales Muster, das Forscher mit seiner Fähigkeit erregt hat, exotische Quantenzustände zu beherbergen, die von der Supraleitigkeit bis hin zu unkonventionellem Magnetismus reichen.
Bisher konzentrierte sich die Forschung jedoch auf elektronische und magnetische Eigenschaften bei zwei Dimensionen des Materials. Die neuesten Ergebnisse in Fe3SN2 – einem ferromagnetischen Material aus Eisen- und Zinnatomen, die in das komplizierte Kagommuster angeordnet sind – wechseln Sie das.
Der heilige Gral von flachen Bändern
Fe3SN2 kann eine Vielzahl faszinierender magnetischer Phänomene ausrichten. Im Zentrum von diesen stehen Spinwellen: Kollektive Vorzüge von Elektronenspins, die sich in der Phase leicht unterscheiden, und addieren oder stornieren, um magnetische Wellen zu bilden, die sich durch das Material wie Wellen auf einem Teich bewegen.
Obwohl das Material seit vielen Jahrzehnten Gegenstand von Forschungsinteresse ist, bleiben die Art dieser Spinwellen und deren potenzielle Auswirkungen auf das magnetische und elektronische Verhalten experimentell unbelebt. In diesem Sinne machte sich das Team daran, zu untersuchen, wie die einzigartige Kagome -Struktur von Fe3SN₂ seine magnetischen Eigenschaften prägt.
Insbesondere wollte das Team bestimmen, ob die Spin-Erreger in Fe3SN₂ eine gefragte Merkmale bildeten, die als Flachbänder bekannt ist. Hier wird die kinetische Energie der Anregungen vernachlässigbar und sie werden lokalisiert. Die Anregungen haben dann die seltene Gelegenheit, stark miteinander zu interagieren und die Tür zu einer Reihe exotischer Quanteneffekte zu öffnen.
Unter Verwendung von Röntgenstrahlen an den SLS der Schweizer Lichtquelle untersuchte das Forschungsteam die magnetischen Anregungen im Material, um zu überprüfen, ob die Spinwellen flache Banden bilden, wie durch Theorie vorhergesagt.
„Wir konnten zum ersten Mal experimentell zeigen, dass es fast flache Bands besitzt“, sagte Yona Soh, Wissenschaftlerin bei PSI und entsprechender Autor der Studie. „Aber in Wirklichkeit war der Kontext und der Ursprung dieser Bands ganz anders als das, was jemand erwartet hatte.“
„Fast“ gibt einen Hinweis auf etwas mehr
Wenn Sie aufpassen, wundern Sie sich vielleicht über das Wort ‚fast „. Die Bands zeigten subtile Abweichungen von perfekter Flatheit.
Die Forscher untersuchten den Ursprung dieser Topologie und stellten fest, dass die Erklärung in der geschichteten Struktur des Materials lag. Durch systematische experimentelle und theoretische Beweise konnten die Forscher ergeben, dass die flachen Banden nicht nur in den Schichten des Kagommaterials, sondern auch zwischen benachbarten Schichten durch starke Wechselwirkungen erzeugt wurden.
„Es ist eine sehr unerwartete Entdeckung zu ermitteln, dass die beiden Schichten stark interagieren. Typischerweise wären die Hauptwechselwirkungen in der Schicht“, sagte Soh.
Dieser Befund ist von Bedeutung: nicht nur für das Material Fe3SN₂, sondern auch für andere geschichtete Materialien. Die konventionelle Theorie berücksichtigt weitgehend Materialien wie zweidimensionale Systeme, bei denen Wechselwirkungen zwischen den Schichten eines dreidimensionalen Materials von minimaler Bedeutung sind. Diese Studie zeigt, dass die Realität nuancierter ist.
Ein sauberer Weg in die Magnetstruktur mit Röntgenspektroskopie
Solche überraschenden Erkenntnisse waren auf die Verwendung einer unkonventionellen experimentellen Technik zurückzuführen: resonante unelastische Röntgenstreuung (Rixs) an der Adressstrahllinie von SLS. „Traditionell wird die inelastische Neutronenstreuung verwendet, um die magnetischen Anregungen in einem Material zu offenbaren“, sagt Thorsten Schmitt, Leiter der Spektroskopie der Quantenmaterialgruppe im Zentrum für Photonenwissenschaften bei PSI. Unelastische Neutronenstreuung erfordert jedoch Gramm Probe. Für Fe3SN₂ würde dies bedeuten, Hunderte von Kristallen genau auszurichten.
Durch die Verwendung von RIXS konnte das Team einzelne Materialskristalle untersuchen. Die Technik ist jedoch nicht nur empfindlich, um Anregungen zu drehen, mit dem magnetischen Verhalten des Materials, sondern auch für elektronische Anregungen. Durch die Verwendung von zirkulell polarisiertem Licht konnte das Forschungsteam andere Arten von Anregungen abziehen und sich ausschließlich auf Spin-Anregungen mit geringer Energie konzentrieren, die die magnetische Topologie aufweisen.
„Dies ist eine neue Entwicklung von Rixs“, sagt Schmitt, der für die Adress Beamline an den SLS verantwortlich ist und die experimentelle Seite der Studie leitete. „Unsere Arbeit ist das erste Mal, dass Rixs mit zirkular polarisiertem Licht verwendet wurde, um mit solch einer Klarheit in einem ferromagnetischen Material eine energiereiche Spin-Anregungen in einem ferromagnetischen Material zu isolieren.“
Neue experimentelle Möglichkeiten, tiefere grundlegende Erkenntnisse, praktische Anwendungen
Die Verwendung von Rixs mit kreisförmig polarisiertem Licht bietet aufregende Möglichkeiten für weitere Entwicklung und Anwendungen, insbesondere für den Zugriff auf Spin -Anregungen bei noch niedrigeren Energien. Dies würde es Forschern ermöglichen, magnetische Systeme in noch feinerem Maßstab zu untersuchen und subtile magnetische Phänomene aufzudecken, die derzeit unerreichbar sind. Solche Fortschritte können mit dem SLS 2.0 -Upgrade gefreut werden, das kurz vor der Fertigstellung steht und die Empfindlichkeit der Sensitivität bei der neuen ADRESS 2.0 Beamline umfasst.
„Um auf niedrigere Spin -Anregungen mit geringerer Energie zuzugreifen, erfordern wir eine höhere Auflösung“, fügt Schmitt hinzu. „Mit dem Upgrade können wir die Auflösung um bis zu fünf Faktoren erhöhen und uns so ausrüsten, magnetische Phänomene auf eine Weise zu erkunden, die noch nie möglich war.“
Solche magnetischen Verhaltensweisen haben sehr praktische Anwendungen. Wenn beispielsweise komplexe magnetische und elektronische Phänomene in Metallen aus einfachen und reichlich vorhandenen Bestandteilen wie Eisen und Zinn erzeugt werden können, können diese zu nachhaltigen Alternativen zu Seltenerdmetallen in magnetoelektrischen Geräten führen, einschließlich energieeffizienterer Motoren oder neuer Arten von Arten von Informationsübertragung und Datenspeicherung.
Weitere Informationen:
Wenliang Zhang et al., Spinwellen und Orbitalbeitrag zum Ferromagnetismus in einem topologischen Metall, Naturkommunikation (2024). Doi: 10.1038/s41467-024-53152-1