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

In de wereld van vaste stoffen gedragen elektronen zich meestal als een menigte mensen die zich door een drukke straat beweegt. Soms bewegen ze vrij en snel, als een lichte bries. Op andere tijden raken ze gestikt of vertraagd door interacties met hun buren, waardoor ze zwaar en traag worden. Wetenschappers weten al lang hoe ze materialen kunnen creëren waarin elektronen zich als zware deeltjes gedragen, een fenomeen dat wordt gedreven door sterke interne krachten die hen effectief zwaarder maken. Ze hebben ook materialen ontdekt waarin elektronen zich gedragen alsof ze geen massa hebben, waarbij ze door de kristalstructuur zoeven met de snelheid en lichtheid van deeltjes in een vacuüm. Deze twee gedragingen — zwaar zijn en massaloos zijn — behoren gewoonlijk tot verschillende families van materialen. De uitdaging voor natuurkundigen is geweest om een enkele substantie te vinden waarin beide gedragingen tegelijkertijd bestaan, zodat ze kunnen bestuderen hoe deze tegenstelde krachten binnen één enkel vast object met elkaar interageren.

Een team van onderzoekers heeft nu zo'n materiaal gevonden. Door kristallen te kweken van een specifieke verbinding die ytterbium, kobalt, germanium en tin bevat, ontdekten zij een metaal waarin elektronen tegelijkertijd zowel zwaar als massaloos kunnen zijn. Het materiaal, een variatie op een kagome-metaal, fungeert als een uniek laboratorium waar twee verschillende soorten elektronverkeer naast elkaar stromen zonder te versmelten tot één ononderscheidbare stroom. De onderzoekers ontdekten dat terwijl sommige elektronen zwaar worden door magnetische interacties, andere licht en massaloos blijven, waarbij ze op magnetische velden reageren op een manier die suggereert dat ze een andere set natuurkundige regels volgen. Deze ontdekking biedt een nieuwe manier om het elektrische verkeer door een materiaal te controleren, wat potentieel wetenschappers in staat stelt om te schakelen tussen zware en lichte gedragingen zonder de chemische samenstelling van het materiaal te hoeven wijzigen of externe afstemming toe te passen.

Het verhaal begint bij het kristal zelf. De onderzoekers kweekten dunne, hexagonale naalden van een materiaal genaamd Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$. Binnen deze naalden vormen de kobaltatomen een specifiek geometrisch patroon dat bekend staat als een kagome-rooster, vernoemd naar een traditioneel Japans geweven mandpatroon. Deze ordening staat erom bekend ongebruikelijke elektronische toestanden te creëren. Verspreid binnen dit kobaltnetwerk bevinden zich atomen van ytterbium, een zeldzaam aardelement. De hoeveelheid ytterbium in het kristal werd zorgvuldig aangepast, waarbij de beste monsters tussen de 19 en 48 procent van de beschikbare plaatsen gevuld waren. De onderzoekers kweekten deze kristallen met behulp van een gesmolten tinbad, een methode die hen in staat stelde de wanorde en de specifieke rangschikking van atomen met hoge precisie te controlen.

Wanneer zij deze kristallen afkoelden tot zeer lage temperaturen, begonnen de elektronen tekenen te vertonen van zwaarder worden. Naarmate de temperatuur daalde onder ongeveer 25 Kelvin, begon de elektrische weerstand van het materiaal te stijgen, een klassiek teken dat de elektronen sterk interageren met de magnetische momenten van de ytterbiumatomen. Dit staat bekend als het Kondo-effect, waarbij de elektronen effectief een zware wolk van magnetische invloed met zich mee slepen terwijl ze bewegen. Naarmate de temperatuur nog verder daalde, bereikte de weerstand een piek en begon deze vervolgens scherp te dalen. Deze daling signaleerde dat de zware elektronen zichzelf hadden georganiseerd in een coherente toestand, waarbij ze in unison over het gehele kristalrooster bewegen. De onderzoekers maten de warmtecapaciteit van het materiaal en stelden vast dat de elektronen inderdaad extreem zwaar waren, met een massa-verhoging die dit materiaal stevig in de categorie van heavy-fermion metalen plaatst.

Maar het verhaal eindigde niet bij zware elektronen. Toen de onderzoekers een sterk magnetisch veld aanlegden langs de lengte van de kristalnaald, parallel aan de stroom van elektriciteit, gebeurde er iets onverwachts. In een typisch heavy-fermion metaal zou de elektrische weerstand uiteindelijk stoppen met veranderen naarmate het magnetische veld sterker werd, waarbij een verzadigingspunt wordt bereikt. Maar in dit materiaal bleef de weerstand dalen en werd deze negatiever naarmate het magnetische veld toenam, helemaal tot een enorme 32 Tesla. Dit gedrag paste niet bij het standaardmodel voor zware elektronen. In plaats daarvan kwam het overeen met een signatuur die geassocieerd wordt met massaloze deeltjes, de zogenaamde Weyl-fermionen. In deze systemen, wanneer een elektrisch veld en een magnetisch veld op elkaar zijn uitgelijnd, zorgt een kwantumeffect bekend als de chirale anomalie ervoor dat elektronen met minder weerstand kunnen stromen, wat een negatieve magnetoresistantie creëert die groeit met het kwadraat van de magnetische veldsterkte.

Om te begrijpen hoe beide gedragingen in hetzelfde kristal konden bestaan, bestudeerden de onderzoekers de elektronische structuur met behulp van een techniek genaamd hoekopgeloste fotoelektronen spectroscopie (ARPES). Deze methode stelde hen in staat om de energieniveaus van de elektronen binnen het materiaal in kaart te brengen. Zij vonden twee verschillende soorten elektronische banden. Eén set banden was vlak, wat betekende dat de elektronen in deze toestanden niet gemakkelijk bewogen en verantwoordelijk waren voor het heavy-fermion gedrag. De andere set banden was dispersief, wat betekende dat de elektronen vrij en snel konden bewegen, als de massaloze deeltjes geassocieerd met topologische materialen. Theoretische berekeningen bevestigden dat de vlakke banden afkomstig waren van de ytterbiumatomen, terwijl de dispersieve banden voortkwamen uit het kobalt-kagome-netwerk.

De belangrijkste bevinding is dat deze twee groepen elektronen, hoewel ze in hetzelfde kristal leven, grotendeels in hun eigen banen bleven. De zware elektronen, gedreven door de ytterbiumatomen, volgden de regels van het Kondo-effect en schaalden hun gedrag op een manier die overeenkwam met een enkel magnetisch ion. Ondertussen reageerden de massaloze elektronen, die door het kobaltnetwerk stroomden, op het magnetische veld via de chirale anomalie. De onderzoekers testten of de zware elektronen de bron van het massaloze gedrag konden zijn, maar de gegevens spraken dit tegen. De zware elektronen bereikten hun verzadiging bij lagere velden, terwijl het massaloze signaal bleef groeien. Zij sloten ook andere veelvoorkomende verklaringen uit, zoals wanorde in het kristal of eenvoudige verstrooiingseffecten, die de specifieke manier waarop de weerstand veranderde met het magnetische veld niet konden verklaren.

Deze scheiding van gedragingen suggereert een nieuw beeld van hoe sterke correlaties en topologie naast elkaar kunnen bestaan. In sommige eerdere theorieën werd gedacht dat het heavy-fermion effect de massaloze toestanden zou creëren, of ze juist volledig zou onderdrukken bij lage temperaturen. Hier lijken de twee effecten onafhankelijk te zijn, voortkomend uit verschillende delen van de elektronische structuur. De ytterbiumatomen zorgen voor de zware, gecorreleerde elektronen, terwijl het kobaltrooster de topologische, massaloze elektronen levert. Omdat deze twee soorten elektronen verschillend zijn, kunnen ze afzonderlijk worden waargenomen en gemeten binnen hetzelfde bulkmateriaal. Dit betekent dat wetenschappers de chemische samenstelling van het materiaal niet hoeven aan te passen of het Fermi-niveau niet hoeven te veranderen om toegang te krijgen tot het ene of het andere gedrag; beide zijn van nature aanwezig en actief.

De implicaties van deze ontdekking reiken verder dan alleen het begrijpen van een enkel materiaal. Het demonstreert dat het mogelijk is om een vaste stof te ontwerpen waarin verschillende elektronische toestanden hun unieke identiteit behouden, zelfs in aanwezigheid van sterke interacties. Dit opent de deur naar het selectief kunnen benutten van gecorreleerde en topologische responsen binnen één enkel apparaat. Door te begrijpen hoe deze verschillende toestanden samenbestaan, kunnen onderzoekers uiteindelijk materialen ontwerpen waarin ze kunnen schakelen tussen zware en lichte geleidingsmodi, of één type elektron kunnen gebruiken om het andere te controleren. Het werk bevestigt dat het kagome-rooster een vruchtbare bodem is voor dergelijke fysica, een platform dat biedt waar de complexe dans van elektronen kan worden ontrafeld in haar constituerende delen, wat een wereld onthult waarin elektronen tegelijkertijd zwaar en licht kunnen zijn.