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Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14525 (2022) Citar este artigo

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Os metais Kagome são um playground emocionante para a exploração de novos fenômenos na interseção de topologia, correlações eletrônicas e magnetismo. A família de ímãs kagome baseados em FeSn, em particular, atraiu muita atenção pela simplicidade da estrutura cristalina em camadas e pela estrutura de banda eletrônica topológica sintonizável. Apesar de um progresso significativo na compreensão de suas propriedades, as estruturas eletrônicas e magnéticas de superfície ainda não foram totalmente exploradas em muitos desses sistemas. Neste trabalho, nos concentramos em um metal kagome prototípico FeSn. Usando uma combinação de microscopia de tunelamento de varredura com média de spin e polarização de spin, fornecemos a primeira visualização em escala atômica da estrutura antiferromagnética em camadas na superfície do FeSn. Em contraste com a estrutura eletrônica sintonizável em campo do material primo Fe3Sn2 que é um ferromagneto, descobrimos que a densidade de estados eletrônica do FeSn é robusta à aplicação de campo magnético externo. Curiosamente, apesar da estrutura da banda eletrônica insensível ao campo, o FeSn exibe estados ligados ligados a impurezas específicas com grandes momentos efetivos que se acoplam fortemente ao campo magnético. Nossos experimentos fornecem insights microscópicos necessários para a modelagem teórica de FeSn e servem como trampolim para medições polarizadas por spin de ímãs topológicos em geral.

Materiais quânticos compostos de átomos dispostos em uma rede de triângulos que compartilham cantos (rede Kagome) são uma plataforma versátil para explorar fenômenos eletrônicos na interseção da topologia de banda e correlações eletrônicas 1,2,3,4,5,6,7,8, 9. Embora a excitação inicial por trás desses sistemas tenha resultado da possibilidade de realizar fases líquidas de spin , experimentos recentes revelaram uma série de outras novas fases eletrônicas que podem surgir em uma rede kagome na presença de acoplamento spin-órbita, curvatura de Berry não trivial e/ou magnetismo. Estes, por exemplo, incluem bandas planas topológicas 11,12, fase magnética de Chern 13, fase semimetálica de Weyl e arcos de Fermi 14,15 e várias ondas de densidade 16,17,18,19,20,21.

Na busca por fenômenos eletrônicos exóticos, a família de ímãs Kagome FexSny tem sido de particular interesse . Os materiais desta família são caracterizados pela estrutura prototípica de banda eletrônica associada à rede Kagome, consistindo de cones de Dirac no limite da zona de Brillouin e uma banda plana sem dispersão . Esses sistemas exibem uma estrutura cristalina em camadas composta por diferentes sequências de camadas kagome Fe3Sn e camadas Sn em favo de mel empilhadas ao longo do eixo c. Essa ordem de empilhamento influencia diretamente o tipo de ordenação magnética emergente no volume22,32,33. Por exemplo, Fe3Sn2, composto de blocos de construção Fe3Sn – Fe3Sn – Sn, é ferromagnético . Por outro lado, o FeSn, composto por camadas alternadas de Fe3Sn e camadas de Sn, é um antiferromagneto em camadas: os giros de Fe dentro de cada camada alinham-se ferromagneticamente, mas acoplam-se antiferromagneticamente entre camadas adjacentes (Fig. 1a, h). Apesar das estruturas magnéticas bem conhecidas no volume, o ordenamento magnético na superfície dos metais kagome à base de Fe e sua sintonia com perturbações externas ainda não foram totalmente investigados. Estabelecer isso experimentalmente seria essencial por vários motivos. Primeiro, dada a simetria cristalina quebrada na superfície, a estrutura magnética pode ser diferente daquela do corpo. De fato, foi levantada a hipótese de que a dicotomia entre magnetismo de superfície e de volume ocorre em outros sistemas topológicos magnéticos . Em segundo lugar, a magnetização da superfície pode levar à transição de férmions de Dirac sem massa para massivos, sendo que este último carrega, em princípio, um número de Chern não trivial. Como tal, a medição direta das propriedades magnéticas na superfície é altamente desejável para uma compreensão completa destes materiais. No entanto, tais medições têm sido difíceis de alcançar em muitos dos ímãs Kagome até o momento. Neste trabalho, usamos microscopia de tunelamento de varredura polarizada por spin e espectroscopia para visualizar a estrutura antiferromagnética em camadas na superfície do metal kagome prototípico FeSn.