Un nou tip de microscop topologic oferă dovezi pentru altermagnetismul 2D
Cercetătorii au transformat un material topologic stratificat într-un vârf de microscop cu efect de tunelare a electronilor (STM), capabil să detecteze stări electronice legate de spin la rezoluție atomică. Echipa de cercetare, condusă de Chen Xianhui și Wang Zhenyu de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China (USTC) a Academiei Chineze de Științe (CAS), împreună cu Xiang Bin de la USTC, Liu Junwei de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Hong Kong și alți colaboratori, a folosit această sondă pentru a obține dovezi convergente ale ordinii altermagnetice d-wave bidimensionale pe suprafața KV₂Se₂O. Studiul a fost publicat online în Nature pe 13 octombrie.
Potrivit cercetătorilor, abordarea se bazează pe efectul Hall cu spin cuantic. De-a lungul unei margini a unui izolator Hall cu spin cuantic, electronii care călătoresc în direcții opuse au valori de așteptare de spin opuse. Astfel de canale unidimensionale „elicoidale” de margine au fost studiate îndelung pentru proprietățile lor electronice neobișnuite. Într-o lucrare anterioară, echipa USTC a observat stări de margine elicoidale robuste, slab cuplate, la trepte în materialul related α-Bi₄I₄. Pornind de la această descoperire, cercetătorii au explorat dacă aceste canale topologice de margine ar putea fi folosite pentru a investiga alte materiale.
Cercetătorii au folosit nanofabricarea cu fascicul de ioni focalizați pentru a modela monocristale de α-Bi₄Br₄ în vârfuri STM. Vârfurile fabricate pot rezolva atomi individuali, păstrând în același timp caracteristici spectrale consistente cu stările de margine elicoidale. Când un canal de margine domină tunelarea electronilor, inversarea polarității tensiunii de polarizare a probei schimbă direcția în care electronii intră sau ies din vârf și, prin urmare, poate modifica sensibilitatea sa la spin.
Pentru a testa acest principiu, cercetătorii au examinat doi magneți consacrați. În Fe₁₊ₓTe, contrastul dungilor magnetice s-a inversat odată cu polaritatea tensiunii. În FeGe, contrastul dintre straturile adiacente ale celulei unitare s-a modificat semnificativ când un câmp magnetic extern a indus o tranziție spin-flop în probă.
Echipa de cercetare a aplicat apoi sonda pe KV₂Se₂O, un candidat altermagnet. Altermagneții nu au magnetizare netă, însă schimbul magnetic poate despica benzile electronice într-un model care alternează în spațiul impulsurilor în conformitate cu simetriile lor cristaline unice. Identificarea acestei ordini necesită legarea structurii atomice locale de comportamentul electronic dependent de spin.
Pe suprafața KV₂Se₂O, imagistica atomică a relevat o modulație de rețea legată de unda de densitate și situri de vanadiu diferite, legate prin simetrie. Analiza imaginilor achiziționate la polarități de tensiune opuse a produs un model în spațiu real consistent cu antiferomagnetismul în tablă de șah. Spectroscopia în câmp magnetic a arătat în continuare că energiile excitațiilor asociate defectelor, care se extind de-a lungul a două direcții cristaline ortogonale, s-au deplasat în moduri opuse, susținând polarizări de spin opuse.
Cercetătorii au imaginat, de asemenea, interferența quasiparticulelor — modelele de unde produse când electronii se împrăștie. Cu vârfurile α-Bi₄Br₄, au observat că direcția dominantă a două caracteristici de împrăștiere ortogonale s-a rotit cu 90 de grade când polaritatea de polarizare a fost inversată. Vârfurile convenționale nemagnetice nu au arătat o inversare comparabilă. Măsurători de control suplimentare au indicat că anizotropia structurală, deformarea locală sau selectivitatea orbitală singure nu ar putea explica cu ușurință observațiile.
Împreună cu analiza teoretică, aceste observații susțin ordinea altermagnetică d-wave în stratul de suprafață al KV₂Se₂O. Mai larg, studiul demonstrează cum stările topologice de margine pot deveni componente funcționale ale instrumentelor la scară atomică, cu aplicații potențiale la alte materiale bidimensionale și moiré.
