Le champ magnétique externe provoque un changement dans la structure de la bande de Dirac électronique dans un aimant kagome

En travaillant avec un matériau quantique connu sous le nom d’aimant kagome, une équipe de physiciens et de collègues du Boston College a mesuré directement comment les états quantiques électroniques individuels dans le nouveau matériau réagissent aux champs magnétiques externes en déplaçant l’énergie de manière inhabituelle, rapportent les chercheurs dans le dernier édition en ligne de la revue Physique naturelle.

Les mesures générées par le projet sont les premières du genre à mesurer directement l’évolution résolue en impulsion et induite par le champ de ces états quantiques, selon l’équipe, qui a collaboré avec des scientifiques de l’Université Renmin à Pékin, en Chine.

Les résultats ont offert la première démonstration expérimentale de prédictions théoriques sur la façon dont la structure de bande électronique peut changer dans ces nouveaux matériaux, dans ce cas des monocristaux en vrac d’yttrium manganèse étain YMn6Sn6, selon le professeur agrégé de physique du Boston College Ilija Zeljkovic, co-auteur principal du rapport.

« Lorsqu’un champ magnétique est appliqué à un matériau, la structure de la bande électronique – qui est une collection d’états quantiques que les électrons dans les solides peuvent occuper – peut changer de manière inhabituelle », a déclaré Zeljkovic. « Ces changements ont jusqu’à présent été déduits de calculs théoriques ou consultés indirectement à partir de changements induits par le champ dans les propriétés mesurables macroscopiques. La mesure directe des changements induits par le champ dans la structure de la bande électronique a été difficile à mesurer. »

L’équipe a surmonté les défis expérimentaux de l’étude du matériau par microscopie à effet tunnel par imagerie spectroscopique. Les aimants Kagome, comme YMn6Sn6 étudiés par l’équipe, sont ainsi nommés parce qu’ils possèdent une structure magnétique et un réseau atomique qui ressemble aux paniers tissés japonais « kagome ».

Les aimants de Kagome abritent des fermions dits de Dirac, qui, selon Zeljkovic, sont des quasi-particules caractérisées par une masse nulle et une dispersion linéaire de l’énergie-impulsion dans une structure de bande électronique ressemblant à des particules relativistes.

Des physiciens théoriciens comme le collègue et co-auteur de Zeljkovic, Ziqiang Wang, professeur de physique au Boston College, ont mathématiquement montré que les fermions de Dirac peuvent évoluer – du point de vue de l’énergie et de la quantité de mouvement – en réponse à un champ magnétique. L’équipe a entrepris de tester ces prédictions, a déclaré Zeljkovic.

L’équipe a découvert que les états quantiques associés aux fermions de Dirac réagissent fortement au champ magnétique, passant à des énergies plus élevées quelle que soit la direction du champ, selon le Physique naturelle rapport, intitulé « Manipulation de la courbure de la bande de Dirac et du facteur g dépendant de l’impulsion dans un aimant kagome ».

« Il est intéressant de noter qu’ils présentent un décalage dépendant de l’impulsion – pour un champ magnétique défini, les états quantiques proches du point de Dirac se déplacent le plus ; le décalage devient progressivement plus petit en s’éloignant du point de Dirac », a déclaré Zeljkovic. Le point de Dirac est un point dans l’espace énergie-impulsion où les bandes de conduction et de valence se touchent.

Zeljkovic a déclaré que l’on s’attendait à ce que le système sans champ magnétique héberge des fermions de Dirac sans masse ou de masse nulle en fonction de l’orientation des spins situés principalement dans le plan. Au lieu de cela, l’équipe a fait l’observation surprenante que les fermions de Dirac dans ce matériau à champ nul ont une masse finie. Pourquoi cela s’est produit sera une question que les théoriciens devront explorer davantage.

D’un point de vue expérimental, Zeljkovic a déclaré qu’il y avait de nombreuses questions supplémentaires à résoudre sur la base de ces résultats. Plus précisément, il existe de multiples effets concurrents qui peuvent conduire à une évolution de bande dépendante de l’impulsion, impliquant le spin des électrons et les degrés de liberté orbitaux.

Le magnétisme orbital en particulier, une propriété qui a récemment suscité l’attention et l’enthousiasme des chercheurs étudiant les structures « tordues » de van der Waals, est l’une des possibilités extrêmement excitantes, a déclaré Zeljkovic.

« Nos futures expériences se concentreront sur le démêlage des différentes contributions et l’examen du magnétisme orbital dans cet aimant kagome et les aimants associés », a ajouté Zeljkovic.