Staged emergence of anomalous Hall transport in a correlated uranium Weyl semimetal

Nel mondo dei materiali quantistici, gli scienziati cercano costantemente di capire come si comportano gli elettroni quando sono costretti a interagire intensamente tra loro. Di solito, gli elettroni in un metallo si muovono liberamente, come una folla di persone che cammina in un ampio corridoio. Tuttavia, in certi materiali esotici, questi elettroni diventano così affollati e reattivi da iniziare a influenzare i percorsi reciproci in modi complessi, creando uno stato della materia in cui il loro comportamento collettivo è molto più importante del loro moto individuale. Allo stesso tempo, i fisici hanno scoperto che i percorsi che gli elettroni compiono possono essere torcitati dalla geometria fondamentale del materiale stesso, creando una sorta di mappa interna che guida il loro flusso senza alcuna spinta esterna. Questo fenomeno, noto come topologia, può far sì che gli elettroni si muovano in una direzione specifica anche senza una tensione che li spinga lateralmente, un comportamento chiamato effetto Hall anomalo. La grande domanda per i ricercatori è stata se questo trasporto speciale avvenga immediatamente quando il materiale diventa magnetico, o se richieda che gli elettroni si riorganizzino prima lentamente.

Un team di ricercatori ha ora risposto a questa domanda studiando un cristallo specifico composto da uranio, fosforo e zolfo, noto come UPS. Questo materiale è un ferromagnete, il che significa che i suoi momenti magnetici interni si allineano nella stessa direzione al di sotto di una certa temperatura, ma contiene anche atomi pesanti di uranio con elettroni che sono sia liberi di muoversi sia fortemente correlati tra loro. Gli scienziati volevano vedere se lo strano flusso laterale di elettricità appariva nel momento in cui il materiale diventava magnetico, o se emergeva più tardi mentre gli elettroni si assestavano in una nuova disposizione più complessa. Per scoprirlo, hanno raffreddato il cristallo partendo dalla temperatura ambiente misurando la sua resistenza elettrica, la sua forza magnetica e i livelli energetici dei suoi elettroni utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo, che utilizza luce ad alta energia per espellere gli elettroni dal materiale in modo da poter misurarne le proprietà.

I ricercatori hanno scoperto che la storia di questo materiale si dispiega in fasi distinte piuttosto che tutta in una volta. Quando il campione è stato raffreddato, è diventato prima magnetico a una temperatura di 118 Kelvin, che sono circa meno 250 gradi Fahrenheit. A questo punto, l'ordine magnetico era stato stabilito, ma le proprietà elettriche non si erano immediatamente assestate nella loro forma finale. Invece, la capacità del materiale di generare una corrente elettrica laterale, nota come effetto Hall anomalo, continuava a crescere e a cambiare man mano che la temperatura scendeva ulteriormente. Il segnale per questo effetto non seguiva semplicemente la forza del magnetismo; al contrario, continuava a evolversi ben dopo che l'ordine magnetico si era formato, raggiungendo un picco nel suo sviluppo intorno ai 90 Kelvin. Ciò suggeriva che qualcosa d'altro stesse accadendo all'interno del materiale, una ricostruzione del panorama elettronico che stava avvenendo su una linea temporale diversa da quella del magnetismo stesso.

Per capire cosa stesse accadendo agli elettroni, il team ha utilizzato la spettroscopia di fotoemissione a risonanza, un metodo che permette di sintonizzarsi specificamente sugli atomi di uranio all'interno del cristallo. Hanno scoperto che gli elettroni vicino alla superficie del materiale avevano una natura duale: alcuni erano strettamente legati e localizzati, mentre altri erano liberi di viaggiare attraverso il cristallo. Al calare della temperatura sotto i 90 Kelvin, i ricercatori hanno osservato un cambiamento significativo nel modo in cui questi elettroni erano distribuiti. I livelli energetici degli elettroni dell'uranio si sono riorganizzati, creando una struttura nuova e più organizzata nel profondo dello stato magnetico. Questa riorganizzazione non è stata un salto improvviso, ma un processo graduale che è continuato a evolversi anche se il materiale era già completamente magnetico. I dati hanno mostrato che gli elettroni non stavano solo restando fermi nel loro stato magnetico; stavano attivamente rimodellando il proprio panorama energetico, un processo che ha avuto luogo in un intervallo di temperature distinto dalla transizione magnetica iniziale.

I calcoli teorici eseguiti dal team hanno supportato queste osservazioni rivelando la geometria nascosta dei percorsi elettronici. I modelli hanno mostrato che l'ordine magnetico nel cristallo creava un punto speciale nella struttura energetica elettronica dove diversi percorsi si incrociavano in un modo protetto dalla simmetria del materiale. Questo punto di incrocio agisce come una fonte di intensa curvatura nel percorso dell'elettrone, che è ciò che guida la grande corrente laterale osservata negli esperimenti. I calcoli hanno previsto un valore per questa corrente che corrispondeva molto da vicino alle misurazioni sperimentali, confermando che l'effetto è intrinseco alla struttura del materiale. Tuttavia, la teoria ha anche evidenziato che gli elettroni del mondo reale stavano subendo una trasformazione continua che il semplice ordine magnetico da solo non poteva spiegare. La forza della corrente laterale era legata non solo al fatto che il materiale fosse magnetico, ma alla continua, dipendente dalla temperatura, riorganizzazione degli elettroni dell'uranio.

Questo lavoro rivela che in questo composto di uranio, l'ordine magnetico, le correlazioni elettroniche e le proprietà di trasporto topologico non si attivano tutti allo stesso tempo. Invece, emergono in una sequenza a stadi. Prima, il materiale diventa magnetico. Poi, raffreddandosi ulteriormente, gli elettroni subiscono una profonda ricostruzione, spostando i loro stati energetici e creando le condizioni necessarie affinché l'ampio effetto Hall anomalo si sviluppi pienamente. I ricercatori hanno scoperto che la risposta elettrica continua a evolversi molto tempo dopo che l'ordine magnetico è stato stabilito, provando che i due fenomeni sono collegati ma operano su scale temporali diverse. Questa scoperta sfida l'idea che l'ordine magnetico da solo detti le proprietà di trasporto di tali materiali, mostrando invece come la danza complessa degli elettroni correlati continui a rimodellare il comportamento del materiale anche dopo che lo stato magnetico è stato bloccato. Lo studio stabilisce i pnictocalcogenuri di uranio come una piattaforma unica per esplorare come le forti interazioni elettroniche possano rimodellare i fenomeni topologici, offrendo un quadro più chiaro di come la natura costruisca questi complessi stati quantistici.