Newswise — Исследователи из Национальной лаборатории Эймса Министерства энергетики США обнаружили неожиданное киральное возбуждение в топологическом магните TbMn6Sn6 со слоями кагоме. Это киральное возбуждение можно рассматривать как локализованный магнитный вихрь или вихрь. Команда также подтвердила существование локализованных плоских магнонов — нового возбуждения, связанного с нарушенной геометрией решетки кагоме.

В течение последних нескольких лет группа ученых из лаборатории Эймса под руководством Роба МакКуини исследовала TbMn6Sn6, чтобы узнать больше об этом материале, его свойствах и о том, как он ведет себя при различных температурах и магнитных полях. По словам МакКуини, материал был известен довольно давно, но вновь появился в поле зрения исследователей около пяти лет назад. «Этот материал стал золотой жилой для интересных явлений», — сказал МакКуини.

В ходе исследования этого материала команда наметила его магнитные возбуждения при низких энергиях и изучила, как эти возбуждения развиваются посредством зависимого от температуры перехода магнитной спиновой переориентации. Их последние результаты получены в результате изучения высокоэнергетических возбуждений материала.

МакКуини объяснил, что, основываясь на теоретических моделях, они ожидали обнаружить локализованные плоские магноны из-за особой геометрии решетки кагоме. Магноны — это квазичастицы или элементарные возбуждения, которые контролируют намагниченность материала.

«Плоскозонные возбуждения локализованы, поэтому магнитное возбуждение не распространяется как волна, а просто локализовано в одном шестиугольнике. И возбуждение в другом шестиугольнике решетки не взаимодействует с другим, они просто как бы сидят там и колеблются в этих шестиугольниках», — сказал МакКуини. «В слое кагоме эти плоские полосы гарантируются геометрией решетки».

Помимо наблюдения за этими локализованными, плоскими магнонами, команда была удивлена, обнаружив другой тип локализованного возбуждения.

«Мы увидели еще одно возбуждение, которого не должно было быть», — сказал МакКуини. «Когда мы посмотрели на распределение импульса, оно имело характер того, что они называют киральным возбуждением. Хиральность означает, что у него есть левосторонность, поэтому существуют левосторонняя и правосторонняя версии возбуждения. И мы обнаружили, что он также локализован в шестиугольнике, как и плоская полоса».

Далее он объяснил, что TbMn6Sn6 имеет ферромагнитные слои кагоме, но киральные возбуждения предполагают, что рядом находится конкурирующая киральная антиферромагнитная нестабильность. Магнитное состояние материала определяет его функциональные свойства. Например, ферромагнетики сильно притягивают другие магнитные материалы, а антиферромагнетики не имеют магнитного поля вне материала (поэтому они не притягивают другие магниты). В этом материале ферромагнитное состояние более стабильно, чем киральный антиферромагнетизм, обнаруженный командой. Однако МакКуини сказал, что, поскольку киральные возбуждения существуют, возможно, изменение химического состава материала могло бы стабилизировать киральный порядок.

«Люди всегда ищут киральные основные состояния», — сказал МакКуини. «Причина, по которой мы используем здесь концепцию квазичастицы, заключается в том, что это способ передачи энергии или информации, подобно тому, как электрон является квазичастицей, и мы можем отправить его из точки А в точку Б, неся некоторую информацию. Киральная квазичастица будет иметь и другие атрибуты. Например, он будет иметь направленность, и вы сможете подумать о новых способах, скажем, передачи информации из точки А в точку Б, которая предполагает не перемещение заряда, а перемещение некоторого кирального сигнала».

Открытие этого нового кирального возбуждения было особенно волнующим для МакКуини: «Вы не ожидаете, что оно будет там», — сказал он. «И мы до сих пор не понимаем, почему оно там. На самом деле мы проводим другие эксперименты, чтобы найти его в других материалах».

Это исследование далее обсуждается в книге «Киральные и плоскозонные магнитные квазичастицы в ферромагнитных и металлических слоях Кагоме», написанной SXM Riberolles, Tyler J. Slade, Tianxiong Han, Bing Li, DL Abernathy, PC Canfield, BG Ueland, PP Orth, Лицинь Кэ и Р.Дж. МакКуини, опубликовано в природные коммуникации.

В части этого исследования использовались ресурсы источника расщепленных нейтронов, который является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики США, которым управляет Национальная лаборатория Ок-Риджа.

Национальная лаборатория Эймса — это национальная лаборатория Управления науки Министерства энергетики США, управляемая Университетом штата Айова. Лаборатория Эймса создает инновационные материалы, технологии и энергетические решения. Мы используем наш опыт, уникальные возможности и междисциплинарное сотрудничество для решения глобальных проблем.

Лаборатория Эймса поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science.