Dopage au fer dans les semimétaux de Weyl magnétiques

Les matériaux magnétiques sont connus pour leurs propriétés uniques, ce qui les rend utiles dans diverses applications. Un type de matériau intéressant est un semi-métal de Weyl magnétique, spécifiquement le germanium manganèse (Mn Ge). Ce matériau a des caractéristiques électriques et magnétiques uniques. Les chercheurs étudient comment l'ajout de fer (Fe) change ces propriétés.

#Effets du dopage au Fe

Quand on ajoute du fer au germanium manganèse, plusieurs changements se produisent. Ce processus s'appelle le dopage. En regardant différents ratios de Fe, comme 0, 0.30 et 0.62, on peut voir comment les propriétés changent.

• 0% Fe (Mn Ge) : Ce matériau montre un comportement métallique. En gros, il conduit bien l'électricité quand la température change.
• 30% Fe (Mn Fe Ge) : Cette version se comporte différemment, agissant plus comme un Semi-conducteur. Ça veut dire qu'il ne conduit pas l'électricité aussi bien que la version précédente.
• 62% Fe (Mn Fe Ge) : Là, quelque chose d'intéressant se passe. À environ 100 K, il y a une transition du comportement métallique à isolant. Ça veut dire qu'il passe de conducteur à résistant à l'électricité.

En plus de ces changements électriques, les propriétés magnétiques évoluent aussi. Avec plus de fer, les échantillons montrent un plus grand ferromagnétisme, qui est un type de magnétisme. Ils montrent aussi un phénomène connu sous le nom d'anisotropie magnetocristalline, ce qui significa qu'ils ont des propriétés magnétiques différentes selon la direction dans laquelle on les mesure. À très basses températures, certains matériaux entrent même dans un état de verre de spin, où les moments magnétiques se comportent de manière désordonnée.

#Effet Hall topologique

Un autre résultat excitant du dopage au Fe est l'effet Hall topologique. Cet effet apparaît dans Mn Fe Ge avec 30% de Fe mais est absent dans le composé parent (Mn Ge) et la version avec 62% de Fe. L'effet Hall topologique est un type spécifique de réponse électrique qui se produit à cause de l'agencement des spins dans le matériau.

#Comprendre les matériaux topologiques

Les matériaux avec une structure de réseau de kagome, comme celui-ci, affichent des propriétés quantiques uniques qui intéressent les scientifiques. Ces propriétés peuvent inclure des fermions de Weyl et de Dirac-des particules qui ont des comportements inhabituels dans les solides. D'autres propriétés peuvent impliquer la supraconductivité, différents types d'effets Hall, et des réseaux de skyrmions. Les chercheurs trouvent ces matériaux fascinants car ils pourraient potentiellement être utilisés dans des technologies comme la spintronique et l'informatique quantique.

Parmi les différents types de matériaux topologiques, les aimants kagome ont attiré une attention considérable. Par exemple, le cobalt peut exhiber un énorme effet Hall anormal, tandis que d'autres matériaux comme le manganèse étain et le germanium ont montré des comportements notables à cause de leurs structures magnétiques.

#Configuration expérimentale

Pour étudier ces propriétés, les scientifiques préparent des cristaux uniques des différentes compositions en utilisant une méthode de croissance par fusion. Dans ce processus, ils mélangent manganèse, fer et germanium dans des ratios spécifiques et les chauffent à haute température. Après un refroidissement très lent, ils obtiennent des cristaux uniques brillants de différentes compositions.

#Structure cristalline et qualité

Pour s'assurer que les matériaux sont de bonne qualité, les scientifiques utilisent des techniques de diffraction des rayons X. Cette étape examine l'agencement des atomes au sein des cristaux. Les résultats montrent qu'au fur et à mesure que l'on ajoute plus de fer, les paramètres de réseau changent, indiquant un changement de structure dû au dopage au Fe.

#Propriétés magnétiques

Les propriétés magnétiques sont mesurées pour comprendre comment les matériaux se comportent sous différentes températures et champs magnétiques. La recherche montre que :

1. Pour le composé parent, une transition antiferromagnétique se produit autour de 365 K.
2. Avec 30% de Fe, cette température de transition tombe à environ 298 K. Il y a aussi une indication d'une transition de verre de spin à des températures plus basses.
3. Quand la concentration en fer atteint 62%, la température de transition diminue encore à environ 230 K, et une chute soudaine de la Magnétisation se produit à 100 K.

#Magnétisation en plan et hors plan

Une observation notable est la différence entre la magnétisation en plan et hors plan. Dans le matériau parent, la magnétisation en plan est plus forte. Cependant, en ajoutant du fer, la magnétisation hors plan devient dominante, en particulier dans l'échantillon à 62% de Fe.

#Propriétés électriques et de transport magnétique

Le comportement de la résistivité électrique change avec la température. Par exemple :

• Dans le composé parent, la résistivité montre un comportement métallique typique.
• Avec 30% de Fe, la résistivité augmente avec la baisse de température, menant à un comportement semblable à celui d'un semi-conducteur.
• Dans l'échantillon à 62% de Fe, une transition métal-isolant est notable à 100 K.

La résistivité Hall est aussi mesurée, révélant comment les matériaux réagissent aux champs magnétiques. Le composé parent montre une augmentation régulière de la résistivité Hall. En revanche, les échantillons avec 30% et 62% de Fe montrent des réponses plus plates, indiquant un changement significatif de comportement à mesure que les matériaux sont modifiés.

#Conclusion

L'étude du dopage au fer dans le germanium manganèse a apporté des éclaircissements sur la façon dont les propriétés électriques, magnétiques et de transport changent. Avec l'augmentation de la concentration en fer, les matériaux passent d'un comportement métallique à isolant, et divers états magnétiques apparaissent.

Ces résultats sont cruciaux pour le développement futur de nouveaux matériaux avec des propriétés uniques. L'exploration des effets Hall topologiques dans le composé germanium fer manganèse ouvre des portes à de nouvelles applications technologiques et à des recherches supplémentaires sur des phénomènes quantiques complexes. En comprenant ces relations, les scientifiques peuvent tirer parti de ces matériaux pour des avancées potentielles dans les dispositifs électroniques et les systèmes magnétiques.