Kartierung der Krümmung, wo Elektronen in Kagome-Materialien residieren.

16. Juni 2023 Feature

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Kagome-Metalle sind eine Klasse von Quantenmaterialien mit interessanten Eigenschaften, die durch eine einzigartige Gitterstruktur gekennzeichnet sind, die den japanischen geflochtenen Bambusmustern des gleichen Namens (Kagome) ähnelt. Physiker haben in den letzten zehn Jahren diese Materialien genutzt, um verschiedene elektronische Phänomene zu untersuchen, die sich aus ihrer einzigartigen Struktur ergeben. 

Forscher der Universität Bologna, der Universität Venedig, des CNR-IOM von Triest, der Universität Würzburg und anderer Institute in Europa und den USA haben kürzlich eine Studie durchgeführt, die die Spin- und elektronische Struktur von XV6Sn6-Materialien untersucht, einer Familie von Kagome-Metallen, die teilweise aus einem Seltenerd-Element besteht. In ihrer in Nature Physics veröffentlichten Arbeit beschreiben sie das Verhalten von Elektronen, die in einem gekrümmten Raum innerhalb der Materialien leben, der als Spin-Beer-Krümmung bekannt ist.

'Kagome-Metalle gehören zu einer Klasse neuer Quantenmaterialien, die die Art und Weise revolutionieren, wie Materialwissenschaftler komplexe kollektive Phänomene wie Magnetismus und Supraleitung betrachten', sagte Domenico Di Sante, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. 'Wir arbeiten seit mehreren Jahren an Kagome-Metallen und diese Arbeit ist eine natürliche Fortsetzung unserer früheren Arbeiten. Das Hauptziel war die Erkennung der Krümmung des Raumes, in dem sich einige der Elektronen in Kagome-Metallen befinden.'

Di Sante und seine Kollegen setzten sich das Ziel, die Spin-Beer-Krümmung in der XV6Sn6-Kagome-Familie sowohl mit theoretischen als auch mit experimentellen Methoden zu erforschen. Sie simulierten zuerst die Materialien mit fortschrittlicher Computer-Software und verwendeten dann eine Technik namens winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie, um Proben des Kagome-Metalls ScV6Sn6 zu untersuchen.

'Von der theoretischen Seite aus haben wir moderne und sehr leistungsstarke Supercomputer genutzt, um das Verhalten von Elektronen innerhalb der Kagome-Metalle über ausgefeilte Software zu modellieren', sagte Di Sante. 'Auf experimenteller Seite mussten wir das Licht nutzen, das nur an Großanlagen wie Synchrotronen erzeugt werden kann, um die Energie und Geschwindigkeit der Elektronen simultan zu ihrem Spin zu erfassen.'

Die Simulationen und Experimente der Forscher führten zu interessanten Beobachtungen. Insbesondere sammelten sie Beweise für eine endliche Spin-Beer-Krümmung im Zentrum der Brillouin-Zone. An dieser Krümmung löste sich das fast flache Band der Materialien vom sogenannten Dirac-Band ab, aufgrund eines physikalischen Phänomens, das als Spin-Bahn-Kopplung bekannt ist. Als sie eine Probe von ScV6Sn6 untersuchten, stellte das Team fest, dass in diesem Material die Spin-Beer-Krümmung robust gegen den Beginn einer geordneten Phase war, die durch Temperaturänderungen verursacht wurde.

'Der bemerkenswerteste Beitrag unserer Arbeit besteht in der Anwendung eines bestimmten Protokolls, d.h. der Verwendung von Licht, zirkulärem Dichroismus und Spin-Auflösung, um den gekrümmten Raum zu kartieren, in dem die Elektronen leben', sagte Di Sante. 'In ähnlicher Weise wie der Raum-Zeit unseres Universums durch Materie, Sterne, Galaxien, schwarze Löcher usw. gekrümmt wird, kann auch der Raum, in dem sich die Elektronen bewegen, gekrümmt sein. Unsere Arbeit hat eine dieser Krümmungen in Kagome-Metallen entdeckt.'

Die jüngsten Arbeiten dieses Forscherteams haben neue wertvolle Erkenntnisse über die elektronische Struktur und den spektroskopischen Fingerabdruck von Kagome-Metallen in der XV6Sn6-Familie gesammelt. In Zukunft könnten ihre Beobachtungen den Weg für neue Studien ebnen, die die einzigartigen Qualitäten dieser Materialien und ihre möglichen technologischen Anwendungen beurteilen.

'In unseren nächsten Arbeiten planen wir, diese Materialklasse weiter zu untersuchen', fügte Di Sante hinzu. 'Es gibt andere Familien von Kagome-Metallen, die unser Verständnis kollektiver Phänomene und ihrer Verbindung zum Topologie-Feld (gekrümmte Räume sind eng mit dem Konzept der Topologie verbunden) bereichern werden.'

Journal information: Nature Physics

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