Un equipo del Laboratorio Nacional Ames realizó una investigación en profundidad del magnetismo de TbMn6Sn6, un imán topológico en capas de Kagome. Se sorprendieron al descubrir que la reorientación del espín magnético en TbMn6Sn6 se produce al generar un número creciente de iones magnéticamente isotrópicos a medida que aumenta la temperatura.
Rob McQueeney, científico de Ames Lab y líder del proyecto, explicó que TbMn6Sn6 tiene dos iones magnéticos diferentes en el material, terbio y manganeso. La dirección de los momentos de manganeso controla el estado topológico, « pero es el momento de terbio el que determina la dirección a la que apunta el manganeso », dijo. « La idea es que tienes estas dos especies magnéticas y es la combinación de sus interacciones lo que controla la dirección del momento ».
En este material en capas, hay una transición de fase magnética que ocurre a medida que aumenta la temperatura. Durante esta transición de fase, los momentos magnéticos pasan de apuntar perpendicularmente a la capa de Kagome, o uniaxial, a apuntar dentro de la capa, o plano. Esta transición se llama reorientación de espín.
McQueeney explicó que en los metales Kagome, la dirección de giro controla las propiedades de los electrones topológicos o de Dirac. Los electrones de Dirac se producen donde las bandas magnéticas se tocan en un punto. Sin embargo, el orden magnético provoca espacios en los puntos donde las bandas se tocan. Este espacio estabiliza el estado topológico del aislador de Chern. « Así que puedes pasar de un semimetal de Dirac a un aislador de Chern simplemente girando la dirección del momento », dijo.
Como parte de su investigación sobre TbMn6Sn6, el equipo realizó experimentos de dispersión de neutrones inelásticos en la fuente de neutrones por espalación para comprender cómo las interacciones magnéticas en el material impulsan la transición de reorientación del espín. McQueeney dijo que el terbio quiere ser uniaxial a bajas temperaturas, mientras que el manganeso es plano, por lo que están en desacuerdo.
Según McQueeney, el comportamiento a temperaturas muy bajas o muy altas es el esperado. A bajas temperaturas, el terbio es uniaxial (con orbitales electrónicos en forma de elipsoide). A altas temperaturas, el terbio es magnéticamente isotrópico (con una forma orbital esférica), lo que permite que el Mn planar determine la dirección general del momento. El equipo asumió que cada orbital de terbio se deformaría gradualmente de elipsoidal a esférico. En cambio, encontraron que ambos tipos de terbio existen a temperaturas intermedias, sin embargo, la población de terbio esférico aumenta a medida que aumenta la temperatura.
« Entonces, lo que hicimos fue determinar cómo evolucionan las excitaciones magnéticas de este estado uniaxial a este estado de plano fácil en función de la temperatura. Y la suposición de larga data de cómo sucede es correcta », dijo McQueeney. « Pero el matiz es que no se puede tratar cada terbio como si fuera exactamente igual en una escala de tiempo. Cada sitio de terbio puede existir en dos estados cuánticos, uniaxial o isotrópico, y si miro un sitio, está en un estado o el otro en algún instante. La probabilidad de que sea uniaxial o isótropo depende de la temperatura ». Llamamos a esto una aleación cuántica binaria orbital.