Ein externes Magnetfeld verursacht eine Verschiebung der elektronischen Dirac-Bandstruktur in einem Kagome-Magneten

Bei der Arbeit mit einem Quantenmaterial, das als Kagome-Magnet bekannt ist, hat ein Team aus Physikern und Kollegen des Boston College direkt gemessen, wie einzelne elektronische Quantenzustände in dem neuartigen Material auf externe Magnetfelder reagieren, indem sie Energie auf ungewöhnliche Weise verschieben, berichten die Forscher in der neuesten Ausgabe Online-Ausgabe der Zeitschrift Naturphysik.

Die im Rahmen des Projekts generierten Messungen sind die ersten ihrer Art, die die impulsaufgelöste, feldinduzierte Entwicklung dieser Quantenzustände direkt messen, so das Team, das mit Wissenschaftlern der Renmin-Universität in Peking, China, zusammengearbeitet hat.

Die Ergebnisse boten die erste experimentelle Demonstration theoretischer Vorhersagen darüber, wie sich die elektronische Bandstruktur in diesen neuartigen Materialien ändern kann, in diesem Fall massiven Einkristallen aus Yttrium-Mangan-Zinn YMn6Sn6, so Ilija Zeljkovic, außerordentlicher Professor für Physik am Boston College, ein leitender Co-Autor des Berichts.

„Wenn ein Magnetfeld an ein Material angelegt wird, kann sich die elektronische Bandstruktur – eine Ansammlung von Quantenzuständen, die Elektronen in Festkörpern einnehmen können – auf ungewöhnliche Weise ändern“, sagte Zeljkovic. „Diese Änderungen wurden bisher aus theoretischen Berechnungen abgeleitet oder indirekt aus feldinduzierten Änderungen makroskopisch messbarer Eigenschaften erschlossen. Die direkte Messung feldinduzierter Änderungen der elektronischen Bandstruktur war schwierig zu messen.“

Das Team überwand die experimentellen Herausforderungen bei der Untersuchung des Materials durch spektroskopisch-bildgebende Rastertunnelmikroskopie. Kagome-Magnete, wie YMn6Sn6, die vom Team untersucht wurden, werden so genannt, weil sie eine magnetische Struktur und ein Atomgitter besitzen, das japanischen geflochtenen „Kagome“-Körben ähnelt.

Kagome-Magnete beherbergen sogenannte Dirac-Fermionen, die laut Zeljkovic Quasiteilchen sind, die durch Nullmasse und eine lineare Energie-Impuls-Dispersion in einer elektronischen Bandstruktur gekennzeichnet sind, die relativistischen Teilchen ähnelt.

Theoretische Physiker wie Zeljkovics Kollege und Co-Autor, Professor für Physik am Boston College, Ziqiang Wang, haben mathematisch gezeigt, dass sich Dirac-Fermionen – vom Standpunkt der Energie und des Impulses aus – als Reaktion auf ein Magnetfeld entwickeln können. Das Team machte sich daran, diese Vorhersagen zu testen, sagte Zeljkovic.

Das Team fand heraus, dass mit Dirac-Fermionen verbundene Quantenzustände stark auf Magnetfelder reagieren und sich unabhängig von der Richtung des Feldes zu höheren Energien verschieben, so die Naturphysik Bericht mit dem Titel „Manipulation of Dirac band curvature and momentum-dependent g-factor in a kagome magnet.“

„Interessanterweise weisen sie eine impulsabhängige Verschiebung auf – für ein festgelegtes Magnetfeld verschieben sich Quantenzustände in der Nähe des Dirac-Punkts am stärksten; die Verschiebung wird vom Dirac-Punkt weg zunehmend kleiner“, sagte Zeljkovic. Der Dirac-Punkt ist ein Punkt im Energie-Impuls-Raum, an dem sich Leitungs- und Valenzbänder berühren.

Zeljkovic sagte, die Erwartung sei, dass das System ohne Magnetfeld masselose – oder masselose – Dirac-Fermionen beherbergen würde, basierend auf der Ausrichtung der Spins, die hauptsächlich in der Ebene liegen. Stattdessen machte das Team die überraschende Beobachtung, dass Dirac-Fermionen in diesem Material bei Nullfeld eine endliche Masse haben. Warum dies geschah, wird eine Frage für Theoretiker sein, die weiter untersucht werden muss.

Aus experimenteller Sicht, sagte Zeljkovic, seien auf der Grundlage dieser Ergebnisse viele zusätzliche Fragen zu lösen. Insbesondere gibt es mehrere konkurrierende Effekte, die zu einer impulsabhängigen Bandentwicklung führen können, die Elektronenspin und Orbitalfreiheitsgrade umfasst.

Insbesondere der Orbitalmagnetismus, eine Eigenschaft, die kürzlich Aufmerksamkeit und Aufregung unter Forschern erregt hat, die „verdrehte“ Van-der-Waals-Strukturen untersuchen, ist eine der äußerst aufregenden Möglichkeiten, sagte Zeljkovic.

„Unsere zukünftigen Experimente werden sich darauf konzentrieren, verschiedene Beiträge zu entwirren und den Orbitalmagnetismus in diesem und verwandten Kagome-Magneten zu untersuchen“, fügte Zeljkovic hinzu.