研究人员认识到理想的 kagome金属电子结构

2019-12-14 10:38:13

自2016年以来,由研究生Linda Ye和Min Gu Kang,物理学副教授Joseph G.Checkelsky以及1947年职业发展助理教授Riccardo Comin组成的MIT研究人员团队致力于研究当铁(Fe)和锡(Sn)的原子以重复的方式结合在一起,看起来像日本的kagome篮子或大卫之星。这些晶体“ kagome”结构的电子行为随铁与锡原子的比率变化,通常为三比二或三比一。

去年,麻省理工学院的研究小组成员及其同事报告说,Fe 3 Sn 2是铁与锡的比例为三比二的化合物,它会产生狄拉克费米子。的电子彼此耦合。电子运动的这种特殊状态受晶体的拓扑或几何结构保护。

铁-锡化合物特别受关注,因为铁原子的自然磁性会进一步影响其电子行为,特别是导致相邻电子的自旋在相反的方向(顺时针或逆时针)交替发生,这称为反铁磁性。在12月9日发表于《自然材料》上的一份报告中,这些研究人员和美国及其他地区的18位合著者发现,在一对一的铁锡化合物中,kagome晶格的对称性很特殊,同时具有无限的轻度无质量的粒子(称为狄拉克费米子)和无限重的粒子(在实验中显示为材料的电子结构中的平坦带)。

“我们的研究结合了理想戈薇金属的单一平台物理学(拓扑结构,磁性和强关联电子)的各个领域,”共同第一作者顾民康一说,研究生在物理学。“我们相信利用FeSn丰富而独特的电子光谱可能是新型拓扑结构和自旋电子器件的基础。”

实验上要实现这种特殊的电子能带结构特别困难,因为在真正的kagome化合物中,干扰“理想”晶格的原因是电子在层之间相互作用,电子跳到最近的相邻原子以及每个电子的多个轨道自由度。直到2014年,德国法兰克福歌德大学的玛丽亚·罗瑟·瓦伦蒂教授在《自然通讯》上写道,这种理想的kagome乐队结构“更多地是简化模型的数字好奇心,而不是真实材料中的可访问特征”。

当前工作的一个突破是一对一化合物FeSn的合成。该铁-锡化合物的结构与先前研究的kagome化合物不同,因为具有kagome结构的每个铁-锡层被仅由锡原子组成的间隔层很好地隔开。在这种结构中,每个铁锡kagome层的行为都像三维kagome晶体中的二维kagome层,为实现理想kagome带结构奠定了基础。

研究人员通过结合两种互补的电子结构探针,证实了他们对一对一铁锡电子结构的发现:角度分辨光发射光谱法(ARPES)和de Haas-van Alphen量子振荡实验。Riccardo Comin小组的研究生Kang和Abraham L.Levitan在加利福尼亚州伯克利的Advanced Light Source进行了ARPES实验,Joe Checkelsky小组的研究生Linda Ye在National High Magnetic进行了de Haas-van Alphen量子振荡实验佛罗里达塔拉哈西和新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的现场实验室。

研究人员说,他们的光子能量和偏振相关的ARPES实验清楚地证明了狄拉克费米子和费米能量附近的平坦带同时出现。康说:“这充分实现了人们期待已久的kagome电子结构,并将FeSn提升为第一种'理想的'kagome金属。”

由于一对一的铁锡层之间形成对比,以“警长星型”或“ kagome ”模式构成的铁和锡原子层仅与锡原子层交替出现,因此研究人员发现了该材料的另一个独特方面。将材料切成薄片后,露出的新表面无论暴露出仅锡层还是铁锡层,其行为都不同。这种不同的表面电子结构由MAESTRO光束线在高级光源处的微聚焦光子光束确认。研究人员说,可以将单一材料中的二维和三维电子行为结合起来,以设计快速开关/低功率自旋电子器件,自旋超导体和高温量子异常霍尔效应。

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