Pesquisadores fazem uma descoberta surpreendente sobre as interações magnéticas em um ímã topológico em camadas de Kagome – Strong The One

Rob McQueeney, cientista do Ames Lab e líder do projeto, explicou que TbMn₆Sn₆tem dois íons magnéticos diferentes no material, térbio e manganês. A direção dos momentos de manganês controla o estado topológico, “mas é o momento de térbio que determina a direção que o manganês aponta”, disse ele. “A ideia é que você tem essas duas espécies magnéticas e é a combinação de suas interações que controla a direção do momento.”

Neste material em camadas, há uma transição de fase magnética que ocorre à medida que a temperatura aumenta. Durante esta transição de fase, os momentos magnéticos mudam de apontar perpendicularmente à camada Kagome, ou uniaxial, para apontar dentro da camada, ou planar. Essa transição é chamada de reorientação de spin.

McQueeney explicou que nos metais de Kagome, a direção do spin controla as propriedades dos elétrons topológicos ou de Dirac. Os elétrons de Dirac ocorrem onde as bandas magnéticas se tocam em um ponto. No entanto, a ordem magnética causa lacunas nos pontos onde as bandas se tocam. Esse intervalo estabiliza o estado topológico do isolante de Chern. “Então você pode ir de um semimetal Dirac para um isolante Chern apenas virando a direção do momento”, disse ele.

Como parte de sua TbMn₆Sn₆ Na investigação, a equipe realizou experimentos de dispersão inelástica de nêutrons na Spallation Neutron Source para entender como as interações magnéticas no material conduzem a transição de reorientação do spin. McQueeney disse que o térbio quer ser uniaxial em baixas temperaturas, enquanto o manganês é planar, então eles estão em desacordo.

Segundo McQueeney, o comportamento em temperaturas muito baixas ou muito altas é o esperado. Em baixas temperaturas, o térbio é uniaxial (com orbitais eletrônicos em forma de elipsóide). Em altas temperaturas, o térbio é magneticamente isotrópico (com uma forma orbital esférica), o que permite ao Mn planar determinar a direção geral do momento. A equipe assumiu que cada orbital do térbio se deformaria gradualmente de elipsoidal para esférico. Em vez disso, eles descobriram que ambos os tipos de térbio existem em temperaturas intermediárias, no entanto, a população de térbio esférico aumenta à medida que a temperatura aumenta.

“Então, o que fizemos foi determinar como as excitações magnéticas evoluem deste estado uniaxial para este estado plano fácil em função da temperatura. E a suposição de longa data de como isso acontece está correta”, disse McQueeney. “Mas a nuance é que você não pode tratar cada térbio como sendo exatamente o mesmo em uma escala de tempo. Cada sítio de térbio pode existir em dois estados quânticos, uniaxial ou isotrópico, e se eu olhar para um sítio, ele está em um estado ou o outro em algum instante. A probabilidade de que seja uniaxial ou isotrópico depende da temperatura. Chamamos isso de liga quântica binária orbital.