Rotazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14525 (2022) Citare questo articolo

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I metalli Kagome sono un entusiasmante parco giochi per l’esplorazione di nuovi fenomeni all’intersezione tra topologia, correlazioni elettroniche e magnetismo. La famiglia di magneti kagome a base di FeSn, in particolare, ha attirato molta attenzione per la semplicità della struttura cristallina a strati e la struttura a bande elettroniche topologiche sintonizzabili. Nonostante i progressi significativi nella comprensione delle loro proprietà di massa, le strutture elettroniche e magnetiche superficiali devono ancora essere completamente esplorate in molti di questi sistemi. In questo lavoro, ci concentriamo su un prototipo di metallo kagome FeSn. Utilizzando una combinazione di microscopia a effetto tunnel con spin medio e spin polarizzato, forniamo la prima visualizzazione su scala atomica della struttura antiferromagnetica stratificata sulla superficie del FeSn. In contrasto con la struttura elettronica sintonizzabile sul campo del materiale cugino Fe3Sn2 che è un ferromagnete, troviamo che la densità elettronica degli stati di FeSn è resistente all'applicazione del campo magnetico esterno. È interessante notare che, nonostante la struttura a bande elettroniche insensibile al campo, FeSn mostra stati legati legati a specifiche impurità con grandi momenti efficaci che si accoppiano fortemente al campo magnetico. I nostri esperimenti forniscono approfondimenti microscopici necessari per la modellazione teorica del FeSn e fungono da trampolino di lancio per misurazioni polarizzate in spin dei magneti topologici in generale.

I materiali quantistici composti da atomi disposti su un reticolo di triangoli con angoli condivisi (reticolo di Kagome) sono una piattaforma versatile per esplorare fenomeni elettronici all'intersezione tra topologia di banda e correlazioni elettroniche1,2,3,4,5,6,7,8, 9. Mentre l’entusiasmo iniziale dietro questi sistemi derivava dalla possibilità di realizzare fasi liquide con spin1,10, recenti esperimenti hanno rivelato una serie di altre nuove fasi elettroniche che possono emergere su un reticolo di kagome in presenza di accoppiamento spin-orbita, curvatura di Berry non banale e/o magnetismo. Questi, ad esempio, includono bande piatte topologiche11,12, fase magnetica di Chern13, fase semimetallica di Weyl e archi di Fermi14,15 e varie onde di densità16,17,18,19,20,21.

Nella ricerca di fenomeni elettronici esotici, la famiglia dei magneti FexSny kagome è stata di particolare interesse22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. I materiali di questa famiglia sono caratterizzati dalla tipica struttura a banda elettronica associata al reticolo kagome, costituito da coni di Dirac al confine della zona di Brillouin e da una banda piatta senza dispersione24,25,27,28,30. Questi sistemi presentano una struttura cristallina stratificata composta da diverse sequenze di strati kagome di Fe3Sn e strati di Sn a nido d'ape impilati lungo l'asse c. Questo ordine di impilamento influenza direttamente il tipo di ordinamento magnetico emergente nel bulk22,32,33. Ad esempio, Fe3Sn2, composto da elementi costitutivi Fe3Sn–Fe3Sn–Sn è ferromagnetico24,25,30,31. D'altra parte FeSn, composto da strati alternati di Fe3Sn e strati di Sn è un antiferromagnete a strati: il Fe ruota all'interno di ogni strato si allinea ferromagneticamente, ma si accoppia antiferromagneticamente tra strati adiacenti34 (Fig. 1a, h). Nonostante le strutture magnetiche ben note nella maggior parte dei casi, l'ordinamento magnetico sulla superficie dei metalli kagome a base di Fe e la sua sintonizzabilità con perturbazioni esterne devono ancora essere completamente studiati. Stabilirlo sperimentalmente sarebbe essenziale per diversi motivi. Innanzitutto, data la rottura della simmetria del cristallo in superficie, la struttura magnetica potrebbe essere diversa da quella del grosso. È stato infatti ipotizzato che la dicotomia tra magnetismo di superficie e magnetismo di massa si verifichi in altri sistemi topologici magnetici35. In secondo luogo, la magnetizzazione superficiale può portare alla transizione da fermioni di Dirac privi di massa a massicci25, gli ultimi dei quali in linea di principio portano un numero di Chern non banale. Pertanto, la misurazione diretta delle proprietà magnetiche sulla superficie è altamente auspicabile per una comprensione completa di questi materiali. Tuttavia, fino ad oggi tali misurazioni sono state difficili da ottenere in molti dei magneti kagome. In questo lavoro, utilizziamo la microscopia e la spettroscopia a effetto tunnel a scansione polarizzata in spin per visualizzare la struttura antiferromagnetica stratificata sulla superficie del prototipo del metallo kagome FeSn.