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Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14525 (2022) Citer cet article

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Les métaux de Kagome constituent un terrain de jeu passionnant pour l’exploration de nouveaux phénomènes à l’intersection de la topologie, des corrélations électroniques et du magnétisme. La famille d’aimants kagome à base de FeSn a particulièrement attiré l’attention en raison de la simplicité de la structure cristalline en couches et de la structure de bande électronique topologique accordable. Malgré des progrès significatifs dans la compréhension de leurs propriétés globales, les structures électroniques et magnétiques de surface doivent encore être pleinement explorées dans bon nombre de ces systèmes. Dans ce travail, nous nous concentrons sur un métal kagome prototype FeSn. En utilisant une combinaison de microscopie à effet tunnel à balayage moyenné et polarisé en spin, nous fournissons la première visualisation à l'échelle atomique de la structure antiferromagnétique en couches à la surface de FeSn. Contrairement à la structure électronique accordable en champ du matériau cousin Fe3Sn2 qui est un ferromagnétique, nous constatons que la densité d'états électronique de FeSn est robuste à l'application d'un champ magnétique externe. Il est intéressant de noter que malgré la structure de bande électronique insensible au champ, FeSn présente des états liés liés à des impuretés spécifiques avec des moments effectifs importants qui se couplent fortement au champ magnétique. Nos expériences fournissent des informations microscopiques nécessaires à la modélisation théorique du FeSn et servent de tremplin pour les mesures polarisées en spin des aimants topologiques en général.

Les matériaux quantiques composés d'atomes disposés sur un réseau de triangles partageant des coins (réseau Kagome) constituent une plate-forme polyvalente pour explorer les phénomènes électroniques à l'intersection de la topologie des bandes et des corrélations électroniques1,2,3,4,5,6,7,8, 9. Alors que l'enthousiasme initial derrière ces systèmes provenait de la possibilité de réaliser des phases liquides de spin1,10, des expériences récentes ont révélé une gamme d'autres nouvelles phases électroniques qui peuvent émerger sur un réseau kagome en présence d'un couplage spin-orbite, d'une courbure de Berry non triviale. et/ou le magnétisme. Ceux-ci incluent par exemple des bandes plates topologiques11,12, la phase magnétique de Chern13, la phase semi-métallique de Weyl et les arcs de Fermi14,15, ainsi que diverses ondes de densité16,17,18,19,20,21.

Dans la recherche de phénomènes électroniques exotiques, la famille des aimants FexSny kagome présente un intérêt particulier22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Les matériaux de cette famille sont caractérisés par la structure de bande électronique prototypique associée au réseau kagome, constituée de cônes de Dirac à la limite de la zone de Brillouin et d'une bande plate sans dispersion . Ces systèmes présentent une structure cristalline en couches composée de différentes séquences de couches de kagome Fe3Sn et de couches de Sn en nid d'abeille empilées le long de l'axe c. Cet ordre d'empilement influence directement le type d'ordre magnétique émergent dans le volume22,32,33. Par exemple, Fe3Sn2, composé de blocs de construction Fe3Sn – Fe3Sn – Sn, est ferromagnétique24,25,30,31. D'autre part, FeSn, composé de couches alternées de Fe3Sn et de couches de Sn, est un antiferromagnétique en couches : les spins de Fe au sein de chaque couche s'alignent de manière ferromagnétique, mais se couplent de manière antiferromagnétique entre les couches adjacentes (Fig. 1a, h). Malgré les structures magnétiques bien connues dans la masse, l'ordre magnétique à la surface des métaux kagome à base de Fe et son accordabilité avec les perturbations externes doivent encore être pleinement étudiés. L’établir expérimentalement serait essentiel pour plusieurs raisons. Premièrement, étant donné la symétrie brisée des cristaux à la surface, la structure magnétique peut être différente de celle de la masse. On a en effet émis l’hypothèse qu’une dichotomie entre le magnétisme de surface et le magnétisme de masse se produirait dans d’autres systèmes topologiques magnétiques35. Deuxièmement, la magnétisation de surface peut conduire à la transition de fermions de Dirac sans masse à des fermions de Dirac massifs, ces derniers portant en principe un nombre de Chern non trivial. En tant que telle, la mesure directe des propriétés magnétiques à la surface est hautement souhaitable pour une compréhension complète de ces matériaux. Cependant, de telles mesures ont été difficiles à réaliser à ce jour dans de nombreux aimants kagome. Dans ce travail, nous utilisons la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à balayage polarisé pour visualiser la structure antiferromagnétique en couches à la surface du métal kagome prototypique FeSn.