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

Nel mondo dei materiali solidi, gli elettroni si comportano solitamente come una folla di persone che si muove attraverso una strada trafficata. A volte, si muovono liberamente e velocemente, come una leggera brezza. Altre volte, rimangono bloccati o rallentati dalle interazioni con i loro vicini, diventando pesanti e pigri. Gli scienziati sanno da tempo come creare materiali in cui gli elettroni si comportano come particelle pesanti, un fenomeno guidato da forti forze interne che li appesantiscono efficacementmente. Hanno anche scoperto materiali in cui gli elettroni si comportano come se non avessero massa, sfrecciando attraverso la struttura cristallina con la velocità e la leggerezza di particelle nel vuoto. Questi due comportamenti — essere pesanti ed essere privi di massa — appartengono solitamente a famiglie diverse di materiali. La sfida per i fisici è stata trovare una singola sostanza in cui entrambi i comportamenti esistano contemporaneamente, permettendo loro di studiare come queste forze opposte interagiscono all'interno di un unico oggetto solido.

Un team di ricercatori ha ora trovato un tale materiale. Coltivando cristalli di un composto specifico contenente itterbio, cobalto, germanio e stagno, hanno scoperto un metallo dove gli elettroni possono essere sia pesanti che privi di massa simultaneamente. Il materiale, una variante di un metallo kagome, funge da laboratorio unico dove due tipi distinti di traffico elettronico scorre fianco a fianco senza fondersi in un unico flusso indistinguibile. I ricercatori hanno scoperto che, mentre alcuni elettroni diventano pesanti a causa delle interazioni magnetiche, altri rimangono leggeri e privi di massa, rispondendo ai campi magnetici in un modo che suggerisce che stiano seguendo un insieme diverso di regole fisiche. Questa scoperta offre un nuovo modo per controllare come l'elettricità si muove attraverso un materiale, permettendo potenzialmente agli scienziati di passare tra comportamenti pesanti e leggeri senza dover alterare la composizione chimica del materiale o applicare una regolazione esterna.

La storia inizia con il cristallo stesso. I ricercatori hanno coltivato sottili aghi esagonali di un materiale chiamato Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$. All'interno di questi aghi, gli atomi di cobalto formano un particolare schema geometrico noto come reticolo kagome, chiamato così da un tradizionale motivo di un cesto intrecciato giapponese. Questa disposizione è famosa per creare stati elettronici insoliti. Intervallati all'interno di questa rete di cobalto vi sono atomi di itterbio, un elemento di terre rare. La quantità di itterbio nel cristallo è stata attentamente regolata, con i campioni migliori che contenevano tra il 19 e il 48 per cento dei posti disponibili occupati. I ricercatori hanno coltivato questi cristalli utilizzando un bagno di stagno fuso, un metodo che ha permesso loro di controllare il disordine e la specifica disposizione degli atomi con alta precisione.

Quando hanno raffreddato questi cristalli a temperature molto basse, gli elettroni hanno iniziato a mostrare segni di pesantezza. Quando la temperatura è scesa sotto circa 25 Kelvin, la resistenza elettrica del materiale ha iniziato a salire, un segno classico che gli elettroni stavano interagendo fortemente con i momenti magnetici degli atomi di itterbio. Questo è noto come effetto Kondo, dove gli elettroni trascinano efficacemente una pesante nuvola di influenza magnetica con sé mentre si muovono. Man mano che la temperatura scendeva ulteriormente, la resistenza ha raggiunto un picco e poi ha iniziato a scendere bruscamente. Questo calo ha segnalato che gli elettroni pesanti si erano organizzati in uno stato coerente, muovendosi all'unisono attraverso l'intero reticolo cristallino. I ricercatori hanno misurato la capacità termica del materiale e hanno scoperto che gli elettroni erano effettivamente estremamente pesanti, con un incremento di massa che collocava questo materiale fermamente nella categoria dei metalli a fermioni pesanti.

Tuttavia, la storia non finiva con gli elettroni pesanti. Quando i ricercatori hanno applicato un forte campo magnetico lungo la lunghezza dell'ago di cristallo, parallelamente al flusso di elettricità, è accaduto qualcosa di inaspettato. In un tipico metallo a fermioni pesanti, la resistenza elettrica finirebbe per smettere di cambiare man mano che il campo magnetico si rafforza, raggiungendo un punto di saturazione. Ma in questo materiale, la resistenza continuava a scendere, diventando più negativa all'aumentare del campo magnetico, fino a un massiccio 32 Tesla. Questo comportamento non rientrava nel modello standard per gli elettroni pesanti. Invece, corrispondeva a una firma associata alle particelle prive di massa chiamate fermioni di Weyl. In questi sistemi, quando un campo elettrico e un campo magnetico sono allineati, un effetto quantistico noto come anomalia chirale permette agli elettroni di fluire con meno resistenza, creando una magnetoresistenza negativa che cresce con il quadrato dell'intensità del campo magnetico.

Per capire come entrambi i comportamenti potessero esistere nello stesso cristallo, i ricercatori hanno esaminato la struttura elettronica utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione risolta in angolo. Questo metodo ha permesso loro di mappare i livelli di energia degli elettroni all'interno del materiale. Hanno trovato due tipi distinti di bande elettroniche. Un set di bande era piatto, il che significa che gli elettroni in questi stati non si muovevano facilmente e sono responsabili del comportamento a fermioni pesanti. L'altro set di bande era dispersivo, il che significa che gli elettroni potevano muoversi liberamente e velocemente, comportandosi come le particelle prive di massa associate ai materiali topologici. I calcoli teorici hanno confermato che le bande piatte derivavano dagli atomi di itterbio, mentre le bande dispersive originavano dalla rete kagome di cobalto.

La scoperta chiave è che questi due gruppi di elettroni, sebbene vivano nello stesso cristallo, hanno mantenuto in gran parte le proprie corsie. Gli elettroni pesanti, guidati dagli atomi di itterbio, seguivano le regole dell'effetto Kondo, scalando il proprio comportamento in modo da corrispondere a un singolo ione magnetico. Nel frattempo, gli elettroni privi di massa, che fluiscono attraverso la rete di cobalto, rispondevano al campo magnetico con l'anomalia chirale. I ricercatori hanno testato se gli elettroni pesanti potessero essere la fonte del comportamento privo di massa, ma i dati hanno escluso questa possibilità. Gli elettroni pesanti saturavano la loro risposta a campi più bassi, mentre il segnale privo di massa continuava a crescere. Hanno anche escluso altre spiegazioni comuni, come il disordine nel cristallo o semplici effetti di scattering, che non potevano spiegare il modo specifico in cui la resistenza cambiava con il campo magnetico.

Questa separazione dei comportamenti suggerisce un nuovo quadro di come le forti correlazioni e la topologia possano coesistere. In alcune teorie precedenti, si pensava che l'effetto dei fermioni pesanti creasse gli stati privi di massa, o li sopprimesse completamente alle basse temperature. Qui, i due effetti sembrano essere indipendenti, derivanti da parti diverse della struttura elettronica. Gli atomi di itterbio forniscono gli elettroni pesanti e correlati, mentre il reticolo di cobalto fornisce gli elettroni topologici e privi di massa. Poiché questi due tipi di elettroni sono distinti, possono essere osservati e misurati separatamente all'interno dello stesso materiale bulk. Ciò significa che gli scienziati non devono regolare la composizione chimica del materiale o cambiare il livello di Fermi per accedere a un comportamento o all'altro; entrambi sono naturalmente presenti e attivi.

Le implicazioni di questa scoperta si estendono oltre la semplice comprensione di un singolo materiale. Dimostra che è possibile ingegnerizzare un solido in cui diversi stati elettronici mantengano la propria identità unica anche in presenza di forti interazioni. Ciò apre la porta all'accesso selettivo a risposte correlate e topologiche all'interno di un singolo dispositivo. Comprendendo come questi stati distinti possano coesistere, i ricercatori potrebbero in futuro progettare materiali in cui sia possibile passare tra modalità di conduzione pesanti e leggere, o usare un tipo di elettrone per controllare l'altro. Il lavoro conferma che il reticolo kagome è un terreno fertile per tale fisica, offrendo una piattaforma dove la complessa danza degli elettroni può essere sciolta nelle sue parti costituenti, rivelando un mondo in cui gli elettroni possono essere sia pesanti che leggeri contemporaneamente.