Międzynarodowy zespół naukowców z Instytutu Fizyki w Zagrzebiu, Chorwacji, przeprowadził badania dotyczące struktury elektronowej warstwowego związku 2H-NbS₂ pomiędzy którego warstwy został wbudowany nikiel. Połączenie teorii i eksperymentów pozwoliło im odkryć, że jony niklu odgrywają istotną rolę w tej strukturze. Praca ta została wyróżniona (Editors Suggestion) przez Physical Review B.

Naukowcy z Instytutu Fizyki w Zagrzebiu, we współpracy z uczonymi z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, synchrotronu Solaris, Uniwersytetu Jagiellońskiego, Uniwersytetu w Zagrzebiu, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN oraz Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu, przeprowadzili badania dotyczące struktury elektronowej 2H-NbS₂ z niklem budowanym między warstwy. Współpraca między teorią a eksperymentem pozwoliła im zrozumieć rolę magnetycznych jonów niklu w strukturze elektronowej. Wyniki badań i analiza teoretyczna wskazują, że suma algebraiczna całek hybrydyzacji orbitali niklu i płaszczyzn przewodzących materiału macierzystego wynosi zero. Innymi słowy, interakcje między orbitalami niklu a płaszczyznami przewodzącymi nie wpływają na siebie w żaden sposób.

Materiały magnetyczne o strukturze dwuwymiarowej są niezwykle interesujące zarówno pod względem podstawowym, jak i potencjalnych zastosowań. Wiadomo, że dodanie warstw magnetycznych do przerw van der Waalsa między warstwami dichalkogenków metali przejściowych może prowadzić do różnych stanów magnetycznych, zależnych od rodzaju dodanych warstw, które mogą być również modyfikowane pod wpływem ciśnienia i domieszek. Te dodatkowe warstwy silnie wpływają na sprzężenie elektronowe między warstwami związku macierzystego. Zrozumienie źródeł takiej zmienności stanowi wyzwanie.

Badanie wykorzystujące kątowo-rozdzielczą spektroskopię fotoelektronów (ARPES) oraz obliczenia ab initio, ujawniło strukturę elektronową Ni₁/₃NbS₂. Porównując te wyniki z wcześniejszymi badaniami Co₁/₃NbS₂, zauważono silne stany hybrydyzacji między pasmami przewodnictwa NbS₂ a orbitalami Ni 3d wokół poziomu Fermiego. W szczególności, hybrydyzacja ta jest prawie całkowicie stłumiona w środkowej części strefy Brillouina w przypadku Ni₁/₃NbS₂, ale staje się wyraźna w kierunku krawędzi strefy. Badania wykazały, że rodzaj atomów wbudowanych między warstwy i ich porządek magnetyczny mają istotny wpływ na strukturę elektronową. Ponadto, fluktuacje magnetyczne w obszarach łączących między sobą różne warstwy materiału mogą powodować silne efekty korelacji elektronów na poziomie Fermiego, które nie są uwzględnione w teoretycznych obliczeniach funkcjonału gęstości (DFT+U).

Rysunek 1. Schematyczny obraz silnej hybrydyzacji spinowo selektywnej pomiędzy warstwami NbS₂ zapewnianej przez interkalowane jony magnetyczne (Ni, Co). Symetrie dominujących orbitali mostkujących w (a) Ni₁/₃NbS₂ i (b) Co₁/₃NbS₂. (c) Obliczone struktury pasmowe, które pokazują rodzaj uporządkowania magnetycznego, silnie wpływają na strukturę elektronową. (d) Powierzchnia Fermiego obserwowana przez ARPES. Fluktuacje magnetyczne w miejscach mostkowania są podatne na wytwarzanie silnego efektu korelacji elektronów na poziomie Fermiego (płytkie kieszenie elektronowe oznaczone czerwonymi strzałkami), który jest niedostępny w obliczeniach DFT+U.

Autor: Yuki Utsumi Boucher

Link do publikacji: Y. U. Boucher, I. Biało, M. A. Gala, W. Tabiś, M. Rosmus, N. Olszowska, J. J. Kolodziej, B. Gudac, M. Novak, N. K. Chogondahalli Muniraju, I Batistić, N. Barišić, P. Popčević, E. Tutiš, Intercalation-induced states at the Fermi level and the coupling of intercalated magnetic ions to conducting layers in Ni₁/₃NbS₂, Physical Review B, 109(8), 85135(2023) doi: 10.1103/PhysRevB.109.085135