Они с удивлением обнаружили, что переориентация магнитных спинов в TbMn₆Sn₆ происходит за счет генерации все большего числа магнитно-изотропных ионов при повышении температуры.

Роб Маккуини, ученый из лаборатории Эймса и руководитель проекта, пояснил, что в материале TbMn6Sn6 присутствуют два различных магнитных иона — тербия и марганца. Направление моментов марганца контролирует топологическое состояние, «но именно момент тербия определяет направление, в котором направлен марганец», — сказал он.

Идея заключается в том, что у вас есть эти два магнитных вида, и именно комбинация их взаимодействий контролирует направление момента.

В этом слоистом материале существует магнитный фазовый переход, который происходит при повышении температуры. Во время этого фазового перехода магнитные моменты меняют направление с перпендикулярного слою кагоме, или одноосного, на направленное внутри слоя, или планарное. Этот переход называется спиновой переориентацией.

Маккуини пояснил, что в металлах кагоме направление спина контролирует свойства топологических электронов или электронов Дирака. Дираковские электроны возникают там, где магнитные полосы соприкасаются в одной точке. Однако магнитный порядок приводит к образованию зазоров в точках соприкосновения полос. Этот зазор стабилизирует состояние топологического изолятора Черна.

Таким образом, можно перейти от полуметалла Дирака к изолятору Черна, просто изменив направление момента, — сказал он.

В рамках исследования TbMn₆Sn₆ команда провела эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов на Spallation Neutron Source, чтобы понять, как магнитные взаимодействия в материале приводят к переходу спиновой переориентации. Маккуини отметил, что при низких температурах тербий стремится быть одноосным, а марганец — планарным, поэтому они противоречат друг другу.

По словам Маккуини, поведение при очень низких и очень высоких температурах соответствует ожиданиям. При низких температурах тербий одноосный (с электронными орбиталями в форме эллипсоида). При высоких температурах тербий магнитно изотропен (со сферической формой орбиталей), что позволяет планарному Mn определять направление общего момента. Команда предполагала, что каждая тербиевая орбиталь будет постепенно деформироваться от эллипсоида к сферической. Вместо этого они обнаружили, что оба типа тербия существуют при промежуточных температурах, однако популяция сферического тербия увеличивается с ростом температуры.

Итак, мы определили, как магнитные возбуждения эволюционируют из одноосного состояния в состояние легкой плоскости в зависимости от температуры. И давнее предположение о том, как это происходит, оказалось верным, — говорит Маккуини.

Но нюанс заключается в том, что нельзя рассматривать каждый тербий как абсолютно одинаковый на каком-то временном масштабе. Каждый участок тербия может существовать в двух квантовых состояниях, одноосном или изотропном, и если я смотрю на участок, то в какой-то момент времени он находится либо в одном, либо в другом состоянии. Вероятность того, что он одноосный или изотропный, зависит от температуры. Мы называем это орбитальным бинарным квантовым сплавом.

Результаты опубликованы в издании Nature Communications.