Un descubrimiento realizado por físicos y colaboradores de la Universidad Rice está desbloqueando una nueva comprensión del magnetismo y las interacciones electrónicas en materiales avanzados, revolucionando potencialmente tecnologías como la computación cuántica y los superconductores de alta temperatura. Dirigida por Zheng Ren y Ming Ye, la investigación del equipo sobre películas delgadas de hierro y estaño (FeSn) cambia la comprensión científica de los imanes kagome, llamados así por un antiguo patrón de tejido de canasta y formados en un diseño único en forma de celosía que puede crear Comportamiento magnético y electrónico inusual debido a la interferencia cuántica destructiva de las funciones de onda electrónica.
Resultados, publicados comunicación de la naturaleza 30 de octubre, que revela que las propiedades magnéticas del FeSn surgen de electrones localizados, no de electrones móviles como habían pensado anteriormente los científicos. Este descubrimiento desafía las teorías existentes sobre el magnetismo en los metales kagome, donde se suponía que los electrones itinerantes impulsaban el comportamiento magnético. Al proporcionar una nueva perspectiva sobre el magnetismo, el trabajo del equipo de investigación podría guiar el desarrollo de materiales con propiedades útiles para aplicaciones de tecnología avanzada como la computación cuántica y los superconductores.
“Se espera que este trabajo estimule más investigaciones experimentales y teóricas sobre las propiedades emergentes de los materiales cuánticos, profundizando nuestra comprensión de estos misteriosos materiales y sus posibles aplicaciones en el mundo real”, dijo Yi, profesor asociado de física y astronomía e investigador principal de Rice. Academia.
Utilizando una técnica avanzada que combina epitaxia de haz molecular y espectroscopia de fotoemisión con resolución angular, los investigadores fabricaron películas delgadas de FeSn de alta calidad y analizaron su estructura electrónica. Descubrieron que incluso a altas temperaturas, las bandas planas de Kagome permanecían divididas, un indicador de que los electrones locales impulsan el magnetismo en el material. Este efecto de correlación de electrones añade un nuevo nivel de complejidad a la comprensión de cómo el comportamiento de los electrones afecta las propiedades magnéticas de los imanes kagome.
El estudio también reveló que algunos orbitales de electrones muestran interacciones más fuertes que otros, un fenómeno conocido como renormalización selectiva de bandas observado previamente en superconductores basados en hierro, lo que proporciona una nueva perspectiva sobre cómo las interacciones de electrones afectan el comportamiento de los imanes kagome.
“Nuestro estudio destaca la compleja interacción entre la magnetización y la correlación de electrones en los imanes de Kagome y sugiere que estos efectos son insignificantes en la configuración de su comportamiento general”, dijo Ren, miembro junior de la Academia Rice.
Más allá de mejorar la comprensión del FeSn, la investigación tiene implicaciones más amplias para materiales con propiedades similares. Los conocimientos sobre las correlaciones de electrones y bandas planas pueden influir en el desarrollo de nuevas tecnologías, como los superconductores de alta temperatura y la computación cuántica topológica, donde la interacción del magnetismo y las bandas planas topológicas crea estados cuánticos que pueden usarse como puertas lógicas cuánticas.
Los investigadores de Rice que colaboraron en el estudio incluyen becarios postdoctorales y estudiantes de posgrado del Departamento de Física y Astronomía: Jianwei Huang, Ananya Biswas, Yichen Zhang, Yaofeng Ji, Jiqin Yu, Lei Chen, Fang Ji, Kevin Allen, Han Wu y Kirui Ren; Junichiro Kono, Carl F. Profesor Hasselman de Ingeniería y Director del Instituto Smalley-Carl; Emilia Morosan, profesora de física y astronomía, química y ciencia de materiales y nanoingeniería; Kimiao C, Harry C. Y Olga K. Wisconsin Profesor de Física y Astronomía; y Pengcheng Dai, profesor de Física y Astronomía Sam y Helen Warden.
Entre los colaboradores de todo el mundo se incluyen Hengxin Tan y Binghai Yan del Departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto Weizmann de Ciencias; Aki Pulkinen y Jan Miner, del Centro de Investigación de Nuevas Tecnologías de la Universidad de Bohemia Occidental; Anil Rajapitamahuni, Ashish K. Kundu y Elio Vescovo de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II, Laboratorio Nacional Brookhaven; y Jian-Jin Zhu del Departamento de Teoría y Centro de Nanotecnologías Integradas del Laboratorio Nacional de Los Álamos.
Departamento de Energía de Estados Unidos, Robert A. Esta investigación fue apoyada por la Iniciativa EPIQS de la Fundación Welch, la Fundación Gordon y Betty Moore, becarios de la Academia Rice, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y una beca de la facultad Vannevar Bush.