Диракция - это интригующий класс материалов с весьма своеобразными свойствами: электроны в этих материалах ведут себя так, как будто не имеют массы. Наиболее известным материалом Dirac является графен, но за последние 15 лет были обнаружены и другие его члены. Каждый из них служит богатой игровой площадкой для изучения "экзотических" электронных моделей поведения, некоторые из которых держат в себе обещание включить новые компоненты для электроники. Однако, даже если материя Dirac и другие так называемые топологические материалы - в которых электроны ведут себя так же неожиданно - являются одними из наиболее интенсивно исследуемых в настоящее время систем конденсированной материи, есть лишь очень мало примеров, когда топология электронных полос связана четко определенным образом с магнитными свойствами материалов.
- Одним из материалов, в котором наблюдалось такое взаимодействие между топологическими электронными состояниями и магнетизмом, является CaMnBi2, но механизм, связывающий эти два состояния, остался неясным.
Написание оптической спектроскопии профессора Леонардо Degiorgi в лаборатории физики твердого тела ETH Цюриха, работая с коллегами из Брукхэвен Национальной лаборатории (США) и Китайской академии наук в Пекине, в настоящее время предоставил доклад всеобъемлющего исследования, в котором они предоставляют четкие доказательства того, что это небольшое подталкивание на магнитные моменты, известные как спин-квантование, что вызывает существенные изменения в электронной структуре полосы.
Компас указывает на правильное направление на ухабистой дороге.
CaMnBi2 и связанное с ним соединение SrMnBi2 недавно привлекли к себе внимание, поскольку они демонстрируют квантовый магнетизм - ионы марганца антиферромагнетически упорядочены примерно при комнатной температуре и ниже, и в то же время являются носителями электронов Dirac. То, что существует взаимодействие между этими двумя свойствами, подозревается в течение некоторого времени, не в последнюю очередь, как при ~ 50 K появляется неожиданная "шишка" в свойствах проводимости на этих материалах. Но точная природа этой аномалии до сих пор была плохо изучена.
В более ранних работах по изучению оптических свойств Corasaniti, Yang и коллеги уже установили связь с электронными свойствами материала. Они использовали, в частности, тот факт, что дугообразная аномалия в транспортных свойствах может сдвигаться в температуре за счет замещения части атомов кальция натрием. Чтобы теперь перейти к микроскопическому происхождению наблюдаемого поведения, изучили образцы с различными натриевыми допингами методом моментной магнитометрии. В этой методике крутящий момент на магнитном образце измеряется при воздействии на него достаточно сильного поля, аналогично тому, как игла-компас выравнивается с магнитным полем Земли. И этот подход доказал, что команда указывает на происхождение аномалии.
Твердая связь между магнитными и электронными свойствами
В своих экспериментах с магнитным крутящим моментом исследователи обнаружили, что при температурах, при которых не наблюдается аномалии в электронных транспортных измерениях, магнитное поведение таково, что можно было бы ожидать от антиферромагнита. При температурах, при которых аномалия присутствует, это уже не так. Там появился ферромагнитный компонент, что можно объяснить проекцией магнитных моментов на плоскость, ортогональную к легкой оси вращения исходного антиферромагнитного порядка. Это явление известно как спин-квантование, индуцированное так называемым суперобменным механизмом.
Эти два набора экспериментов - оптические измерения и измерения крутящего момента - были подкреплены специальными расчетами первых принципов. В частности, для случая, когда в расчеты было включено спин-квантование, была обнаружена своеобразная гибридизация между атомами марганца и висмута для опосредования межслойной магнитной связи и управления электронными свойствами в материале. Таким образом, в исследовании установлено, что востребованная прямая связь между магнитными свойствами и изменениями в структуре электронных полос, отраженными в аномалии транспортных свойств при ударе.
Имея такое подробное понимание на борту, теперь можно исследовать не только электронные свойства CaMnBi2 и связанных с ним соединений, но и возможности, вытекающие из связи между магнитными свойствами и топологическими состояниями в этих интригующих формах материи.
