磁性促进了量子材料中不寻常的电子秩序

物理学家对 2022 年的发现感到惊讶，即磁性铁锗晶体中的电子可以自发地集体地将它们的电荷组织成具有驻波的图案。磁性也源于电子自旋形成有序模式的集体自组织。这些模式很少与那些产生电子驻波的模式共存，物理学家称之为电荷密度波。

在发表在《自然物理学》上的一项研究中，莱斯大学的物理学家Ming Yi和Pengcheng Dai以及他们在2022年研究中的许多合作者提出了一系列实验证据，表明他们的电荷密度波发现仍然很少见，在这种情况下，磁性和电子秩序不是简单地共存，而是直接联系在一起。

“我们发现磁性巧妙地改变了材料中电子能量状态的景观，以促进和准备电荷密度波的形成，”该研究的共同通讯作者Yi说。

该研究由赖斯大学的十几名研究人员共同撰写;橡树岭国家实验室(ORNL);SLAC国家加速器实验室;劳伦斯伯克利国家实验室;华盛顿大学;加州大学伯克利分校;以色列魏茨曼科学研究所;以及中国的南方科技大学。

铁锗材料是戈薇晶格晶体，这是一个备受研究的材料家族，其原子的2D排列让人联想到传统日本戈薇篮子中的编织图案，其特点是角处接触的等边三角形。

“戈薇材料最近席卷了量子材料世界，”易说。“这种结构很酷的地方在于，几何形状对电子如何被允许缩放施加了有趣的量子约束，有点类似于交通环形交叉路口如何影响交通流量，有时甚至会让它停下来。

从本质上讲，电子相互避免。他们这样做的一种方法是将他们的磁性状态 - 指向向上或向下的自旋 - 与邻居的自旋方向相反。

共同通讯研究作者戴说：“当放在戈薇晶格上时，电子也可以出现在一种状态，由于量子干涉效应，它们被卡住了，无法去任何地方。

当电子不能移动时，三角形排列会产生一种情况，即每个电子有三个邻居，并且电子无法将所有相邻的自旋集体排序在相反的方向上。戈薇晶格材料中电子固有的挫败感早已得到认可。

Yi说，晶格以“可以对材料的可观察特性产生直接影响”的方式限制电子，并且该团队能够利用它“更深入地探索铁锗中磁性和电荷密度波交织的起源”。

他们结合了在ORNL进行的非弹性中子散射实验和在LBNL的高级光源和SLAC的斯坦福同步辐射光源以及Yi在赖斯实验室进行的角度分辨光发射光谱实验。

“这些探针使我们能够观察电子和晶格在电荷密度波形成时的作用，”她说。

戴说，这些发现证实了该团队的假设，即电荷顺序和磁顺序在铁锗中是相关的。“这是为数不多的，如果不是唯一的，已知的戈薇材料的例子之一，磁性首先形成，为电荷排列铺平道路，”他说。

Yi说，这项工作表明好奇心和对自然现象的基础研究如何最终导致应用科学。

“作为物理学家，当我们发现自发形成某种秩序的材料时，我们总是很兴奋，”她说。“这意味着我们有机会了解量子材料基本粒子的自组织能力。只有有了这种理解，我们才有朝一日有希望设计出具有新颖或奇特特性的材料，我们可以随意控制。

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