Prediction of Magnetic Topological Materials Combining Spin and Magnetic Space Groups

La materia è raramente solo una collezione di atomi che restano immobili; spesso, i minuscoli spin magnetici degli elettroni all'interno di un materiale si allineano in schemi specifici, trasformando il materiale in un magnete. Quando questi schemi magnetici si combinano con il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso il reticolo cristallino, possono accadere cose strane e utili. Gli elettroni potrebbero scorrere senza resistenza, o potrebbero trasportare una specifica sorta di torsione che li rende immuni dalle impurità. Gli scienziati chiamano questi "materiali topologici", e sono il santo graal per l'elettronica di prossima generazione perché potrebbero portare a computer e sensori più veloci ed efficienti. Per decenni, i ricercatori hanno utilizzato un insieme di regole basate sulla simmetria della forma di un cristallo per prevedere quali materiali si sarebbero comportati in questo modo. Tuttavia, queste regole funzionavano meglio per materiali che non erano magnetici, o per magneti in cui l'ordine magnetico era semplice e ben compreso. Quando l'ordine magnetico diventa complicato, o quando l'interazione tra lo spin dell'elettrone e il suo moto diventa significativa, le vecchie regole spesso falliscono, lasciando gli scienziati impossibilitati a prevedere se un materiale sarà una meraviglia topologica o solo un ordinario isolante.

Un team di ricercatori della Nanjing University ha ora colmato questa lacuna sviluppando un nuovo metodo per prevedere il comportamento dei materiali magnetici con una precisione molto maggiore. Si sono resi conto che, per comprendere questi materiali, bisogna guardarli simultaneamente attraverso due lenti diverse. La prima lente ignora la sottile interazione tra lo spin di un elettrone e il suo moto, trattando l'ordine magnetico come una simmetria ideale e perfetta. La seconda lente include questa interazione, che distorce leggermente la simmetria e cambia le proprietà del materiale. Connettendo queste due visioni, i ricercatori hanno creato una mappa completa in grado di diagnosticare la natura topologica di quasi ogni materiale magnetico, anche quando l'ordine magnetico è complesso. Il loro lavoro non solo spiega perché alcuni materiali si comportano in un certo modo, ma prevede anche l'esistenza di nuovi, precedentemente sconosciuti, materiali topologici magnetici.

Il nucleo di questo nuovo approccio risiede nel modo in cui i ricercatori gestiscono la transizione da un materiale con nessun ordine magnetico a uno con un particolare schema magnetico. In assenza di interazioni magnetiche, la simmetria di un materiale è descritta da un insieme standard di regole. Quando il materiale diventa magnetico, la simmetria cambia. I ricercatori hanno introdotto un nuovo quadro che tratta lo stato magnetico come un gradino in una gerarchia. Per prima cosa, considerano la simmetria del materiale quando l'interazione sottile tra spin e moto è disattivata. In questo stato, il materiale appartiene a una vasta famiglia di gruppi di simmetria che descrivono come sono disposti gli spin magnetici. Poi, riattivano l'interazione. Questa azione abbassa ulteriormente la simmetria, restringendo le possibilità a un gruppo specifico e più restrittivo. I ricercatori hanno calcolato le connessioni matematiche tra questi due stati per ogni possibile disposizione magnetica. Ciò ha permesso loro di vedere come le bande elettroniche — i livelli di energia che gli elettroni possono occupare — si evolvano mentre il materiale transita dallo stato idealizzato allo stato fisico reale.

Utilizzando questo nuovo quadro, il team ha eseguito un sondaggio massiccio su materiali magnetici noti. Hanno esaminato 488 materiali le cui strutture magnetiche erano già state determinate sperimentalmente. In 26 di questi casi, i metodi standard, che guardano solo alla simmetria finale del mondo reale, avrebbero etichettato il materiale come ordinario e topologicamente banale. Tuttavia, il nuovo metodo, che tiene conto della sottostante simmetria idealizzata, ha rivelato che questi 26 materiali possiedono in realtà una natura topologica nascosta. In questi materiali, le caratteristiche topologiche sono protette dalla simmetria idealizzata e vengono solo leggermente distorte, piuttosto che completamente distrutte, quando le interazioni del mondo reale vengono incluse. Un esempio specifico è un materiale chiamato $\text{FePSe}_3$. Sotto un'analisi standard, appare come un semplice magnete. Ma il nuovo metodo mostra che ospita linee speciali di elettroni che dovrebbero esistere sulla sua superficie, una caratteristica che l'analisi standard non coglie. Questi stati superficiali sono robusti e potrebbero essere utili per i dispositivi elettronici, anche se il materiale non è un isolante topologico perfetto nel senso tradizionale.

I ricercatori non si sono fermati all'analisi di materiali noti; hanno anche usato il loro metodo per prevederne di nuovi. Sono partiti da 1.483 composti chimici noti per esistere, ma che non sono ancora stati confermati come magnetici. Simulando la formazione dell'ordine magnetico in questi composti e applicando le loro nuove regole di simmetria, hanno previsto le strutture magnetiche dello stato fondamentale per 224 di essi. Da questo gruppo, hanno identificato 24 materiali distinti che sono probabilmente materiali topologici magnetici. Questa lista include tre materiali che sono già stati confermati da altri esperimenti: $\text{Co}_3\text{Sn}_2\text{S}_2$, $\text{MnBi}_2\text{Te}_4$ e $\text{Fe}_3\text{Sn}_2$. Il fatto che il loro metodo abbia identificato correttamente questi materiali noti funge da forte validazione del loro approccio. Ancora più importante, ha dato loro fiducia nelle 21 nuove previsioni, che includono materiali come $\text{LiCoO}_2$ e $\text{GaNi}_3$. Per questi nuovi candidati, i ricercatori hanno calcolato la direzione specifica degli spin magnetici e la conseguente struttura elettronica, scoprendo che dovrebbero ospitare stati esotici come i semimetalli di Weyl, dove gli elettroni si comportano come se non avessero massa, o isolanti assionici, che hanno risposte elettriche uniche.

La forza di questo lavoro risiede nella sua capacità di vedere ciò che prima era invisibile. Per anni, gli scienziati si sono affidati a un singolo insieme di regole di simmetria per classificare i materiali magnetici. Se la simmetria di un materiale era troppo bassa o troppo complessa, veniva spesso scartata come topologicamente poco interessante. Questo nuovo approccio riconosce che la simmetria "ideale" dell'ordine magnetico, anche se leggermente infranta dagli effetti del mondo reale, lascia comunque un'impronta digitale sulla struttura elettronica del materiale. È come guardare una scultura attraverso una finestra leggermente appannata; il vecchio metodo potrebbe vedere solo una forma sfocata e assumere che sia un semplice blocco, mentre il nuovo metodo comprende la forma sottostante della scultura e sa esattamente cosa sia, anche attraverso la nebbia. Combinando la visione idealizzata con quella realistica, i ricercatori hanno ampliato significativamente il pool noto di materiali topologici magnetici.

Lo studio fornisce una via chiara per gli sperimentali. Invece di indovinare quali materiali potrebbero essere utili, i ricercatori possono ora utilizzare questo nuovo schema di classificazione per esaminare database di composti noti e identificare i candidati più promettenti per la sintesi. Il team ha reso i propri dati computazionali e i propri strumenti software disponibili alla comunità scientifica, permettendo ad altri di applicare queste regole a qualsiasi materiale magnetico incontrino. Ciò apre la porta alla scoperta di una nuova generazione di materiali che potrebbero rivoluzionare la spintronica, il campo dell'elettronica che utilizza lo spin elettronico piuttosto che solo la carica. Comprendendo come l'ordine magnetico detti il flusso degli elettroni, gli scienziati possono ora progettare materiali con proprietà specifiche e desiderate, passando dalla scoperta accidentale all'ingegneria deliberata. Il lavoro conferma che l'interazione tra magnetismo e topologia è molto più ricca di quanto precedentemente pensato e che, guardando il problema attraverso la lente giusta, possiamo trovare tesori nascosti nella tavola periodica.