Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

In der Welt der Festkörper verhalten sich Elektronen normalerweise wie eine Menschenmenge, die sich durch eine belebte Straße bewegt. Manchmal bewegen sie sich frei und schnell, wie eine leichte Brise. Ein anderes Mal bleiben sie stecken oder werden durch Wechselwirkungen mit ihren Nachbarn verlangsamt, wodurch sie schwer und träge werden. Wissenschaftler wissen schon lange, wie man Materialien erzeugt, in denen Elektronen wie schwere Teilchen agieren – ein Phänomen, das durch starke interne Kräfte angetrieben wird, die sie effektiv beschweren. Sie haben auch Materialien entdeckt, in denen sich Elektronen so verhalten, als hätten sie gar keine Masse, und durch die Kristallstruktur sausen mit der Geschwindigkeit und Leichtigkeit von Teilchen im Vakuum. Diese beiden Verhaltensweisen – schwer zu sein und masselos zu sein – gehören normalerweise zu unterschiedlichen Familien von Materialien. Die Herausforderung für Physiker bestand darin, ein einziges Substrat zu finden, in dem beide Verhaltensweisen gleichzeitig existieren, um zu untersanden, wie diese gegensätzlichen Kräfte innerhalb eines einzigen Festkörpers interagieren.

Ein Forschungsteam hat nun ein solches Material gefunden. Durch das Züchten von Kristallen einer spezifischen Verbindung, die Ytterbium, Kobalt, Germanium und Zinn enthält, entdeckten sie ein Metall, in dem Elektronen gleichzeitig sowohl schwer als auch masselos sein können. Das Material, eine Variation eines Kagome-Metalls, fungiert als ein einzigartiges Labor, in dem zwei verschiedene Arten von Elektronenverkehr nebeneinander fließen, ohne zu einem einzigen, ununterscheidbaren Strom zu verschmelzen. Die Forscher fanden heraus, dass einige Elektronen aufgrund magnetischer Wechselwirkungen schwer werden, während andere leicht und masselos bleiben und auf Magnetfelder in einer Weise reagieren, die darauf hindeutet, dass sie einem anderen Satz physikalischer Regeln folgen. Diese Entdeckung bietet einen neuen Weg, den elektrischen Fluss durch ein Material zu kontrollieren, was es Wissenschaftlern potenziell ermöglichen könnte, zwischen schweren und leichten Verhaltensweisen zu wechseln, ohne die chemische Zusammensetzung des Materials ändern oder externe Abstimmungen vornehmen zu müssen.

Die Geschichte beginnt mit dem Kristall selbst. Die Forscher züchteten dünne, hexagonale Nadeln eines Materials namens Y$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$. In diesen Nadeln bilden die Kobaltatome ein spezifisches geometrisches Muster, das als Kagome-Gitter bekannt ist und nach einem traditionellen japanischen Flechtmuster benannt wurde. Diese Anordnung ist berühmt dafür, ungewöhnliche elektronische Zustände zu erzeugen. In das Kobaltnetzwerk eingebettet sind Atome von Ytterbium, einem Seltenerdelement. Die Menge an Ytterbium im Kristall wurde sorgfältig angepasst, wobei die besten Proben zwischen 19 und 48 Prozent der verfügbaren Plätze besetzt hatten. Die Forscher züchteten diese Kristalle in einem geschmolzenen Zinnbad, eine Methode, die es ihnen ermöglichte, die Unordnung und die spezifische Anordnung der Atome mit hoher Präzision zu kontrollieren.

Als sie diese Kristalle auf sehr tiefe Temperaturen abkühlten, zeigten die Elektronen Anzeichen dafür, schwer zu werden. Als die Temperatur unter etwa 25 Kelvin sank, begann der elektrische Widerstand des Materials zu steigen, ein klassisches Zeichen dafür, dass die Elektronen stark mit den magnetischen Momenten der Ytterbiumatome wechselwirken. Dies ist bekannt als der Kondo-Effekt, bei dem die Elektronen effektiv eine schwere Wolke aus magnetischem Einfluss mit sich ziehen, während sie sich bewegen. Als die Temperatur noch weiter sank, erreichte der Widerstand seinen Höhepunkt und begann dann steil abzufallen. Dieser Abfall signalisierte, dass sich die schweren Elektronen zu einem kohärenten Zustand organisiert hatten und sich im Einklang über das gesamte Kristallgitter bewegten. Die Forscher maßen die Wärmekapazität des Materials und fanden heraus, dass die Elektronen tatsächlich extrem schwer waren, wobei eine Massenverstärkung dieses Material fest in die Kategorie der Schwerfermimetalle einordnete.

Doch die Geschichte endete nicht mit den schweren Elektronen. Als die Forscher ein starkes Magnetfeld entlang der Länge der Kristallnadel anlegten, parallel zum Stromfluss, geschah etwas Unerwartetes. In einem typischen Schwerfermmetall würde der elektrische Widerstand schließlich aufhören sich zu verändern, wenn das Magnetfeld stärker wird, und einen Sättigungspunkt erreichen. Aber in diesem Material sank der Widerstand weiter und wurde mit zunehmendem Magnetfeld immer negativer, bis hin zu massiven 32 Tesla. Dieses Verhalten entsprach nicht dem Standardmodell für schwere Elektronen. Stattdessen entsprach es einer Signatur, die mit masselosen Teilchen, sogenannten Weyl-Fermionen, assoziiert wird. In diesen Systemen ermöglicht ein Quanteneffekt namens chirale Anomalie, wenn ein elektrisches und ein magnetisches Feld ausgerichtet sind, dass Elektronen mit weniger Widerstand fließen, was einen negativen Magnetowiderstand erzeugt, der mit dem Quadrat der Magnetfeldstärke wächst.

Um zu verstehen, wie beide Verhaltensweisen in demselben Kristall existieren können, untersuchten die Forscher die elektronische Struktur mittels einer Technik namens winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie. Diese Methode erlaubte es ihnen, die Energieniveaus der Elektronen im Inneren des Materials abzubilden. Sie fanden zwei verschiedene Arten von elektronischen Bändern. Ein Satz von Bändern war flach, was bedeutet, dass die Elektronen in diesen Zuständen sich nicht leicht bewegen konnten und für das Schwerfermi-Verhalten verantwortlich waren. Der andere Satz von Bändern war dispersiv, was bedeutet, dass die Elektronen sich frei und schnell bewegen konnten, ähnlich den masselosen Teilchen, die mit topologischen Materialien assoziiert sind. Theoretische Berechnungen bestätigten, dass die flachen Bänder von den Ytterbiumatomen stammten, während die dispersiven Bänder aus dem Kobalt-Kagome-Netzwerk hervorgingen.

Die zentrale Erkenntung ist, dass diese beiden Gruppen von Elektronen, obwohl sie im selben Kristall leben, weitgehend auf ihren eigenen Spuren blieben. Die schweren Elektronen, angetrieben durch die Ytterbiumatome, folgten den Regeln des Kondo-Effekts und skalierten ihr Verhalten in einer Weise, die einem einzelnen magnetischen Ion entsprach. Unterdessen reagierten die masselosen Elektronen, die durch das Kobaltnetzwerk flossen, auf das Magnetfeld mit der chiralen Anomalie. Die Forscher testeten, ob die schweren Elektronen die Quelle des masselosen Verhaltens sein könnten, aber die Daten widerlegten dies. Die schweren Elektronen sättigten ihre Reaktion bei niedrigeren Feldern, während das masselose Signal weiter anwuchs. Sie schlossen auch andere gängige Erklärungen aus, wie etwa Unordnung im Kristall oder einfache Streueffekte, die die spezifische Art und Weise, wie sich der Widerstand mit dem Magnetfeld änderte, nicht hätten erklären können.

Diese Trennung der Verhaltensweisen deutet auf ein neues Bild davon hin, wie starke Korrelationen und Topologie koexistieren können. In einigen früheren Theorien wurde angenommen, dass der Schwerfermi-Effekt die masselosen Zustände entweder erzeugt oder sie bei niedrigen Temperaturen vollständig unterdrückt. Hier scheinen die beiden Effekte unabhängig zu sein und stammen aus unterschiedlichen Teilen der elektronischen Struktur. Die Ytterbiumatome liefern die schweren, korrelierten Elektronen, während das Kobaltgitter die topologischen, masselosen Elektronen liefert. Da diese beiden Arten von Elektronen verschieden sind, können sie innerhalb desselben Bulk-Materials separat beobachtet und gemessen werden. Dies bedeutet, dass Wissenschaftler das Material nicht durch Änderung der chemischen Zusammensetzung oder der Fermi-Energie abstimmen müssen, um auf das eine oder das andere Verhalten zuzugreifen; beide sind natürlich vorhanden und aktiv.

Die Auswirkungen dieser Entdeckung erstrecken sich über das Verständnis eines einzelnen Materials hinaus. Sie zeigt, dass es möglich ist, einen Festkörper zu konstruieren, in dem verschiedene elektronische Zustände selbst in Gegenwart starker Wechselwirkungen ihre einzigartigen Identitäten bewahren. Dies öffnet die Tür dazu, gezielt korrelierte und topologische Antworten innerhalb eines einzigen Bauteils abzurufen. Durch das Verständnis, wie diese unterschiedlichen Zustände koexistieren, könnten Forscher schließlich in der Lage sein, Materialien zu entwerfen, in denen sie zwischen schweren und leichten Leitungsmodi umschalten oder eine Art von Elektron nutzen können, um die andere zu steuern. Die Arbeit bestätigt, dass das Kagome-Gitter ein fruchtbarer Boden für eine solche Physik ist und eine Plattform bietet, auf der der komplexe Tanz der Elektronen in seine Bestandteile zerlegt werden kann, was eine Welt offenbart, in der Elektronen gleichzeitig schwer und leicht sein können.