يقيس الفيزيائيون "الدوران الطوبولوجي" للإلكترون - عالم الفيزياء

نجح فريق دولي من علماء الفيزياء في قياس خاصية الإلكترون المعروفة باسم لف الدوران الطوبولوجي لأول مرة. حصل الفريق على هذه النتيجة من خلال دراسة سلوك الإلكترونات في ما يسمى بمعادن كاجومي، وهي مواد لها خصائص كمومية فريدة تتعلق بشكلها المادي، أو طوبولوجيتها. يمكن لهذا العمل أن يعزز فهمنا لفيزياء الموصلات الفائقة والأنظمة الأخرى التي تحتوي على إلكترونات مرتبطة بقوة.

تمت تسمية معادن كاجومي على اسم تقنية نسج السلال اليابانية التقليدية التي تنتج شبكة من المثلثات المتداخلة والمتماثلة ذات الزوايا المشتركة. عندما يتم ترتيب ذرات المعدن أو أي موصل آخر في نمط الكاجومي هذا، فإن إلكتروناتها تتصرف بطرق غير عادية. على سبيل المثال، يمكن أن تتداخل الوظائف الموجية للإلكترونات بشكل مدمر، مما يؤدي إلى حالات إلكترونية شديدة التركيز تتفاعل فيها الجزيئات بقوة مع بعضها البعض. تؤدي هذه التفاعلات القوية إلى مجموعة من الظواهر الكمومية، بما في ذلك الترتيب المغناطيسي لسبينات الإلكترونات غير المتزاوجة، والتي يمكن أن تنتج، على سبيل المثال، أطوارًا حديدية أو مضادة للمغناطيسية الحديدية، وهياكل فائقة التوصيل، وسوائل تدور كمومية، وأطوار طوبولوجية غير طبيعية. كل هذه المراحل لها تطبيقات في تقنيات الإلكترونيات النانوية والإلكترونيات الدورانية المتقدمة.

في العمل الجديد ، بقيادة الباحثين دومينيكو دي سانتي ل جامعة بولونيا في إيطاليا درس الدوران والبنية الإلكترونية للخامس عشر₆Sn₆حيث X عنصر أرضي نادر. تحتوي معادن الكاجومي المكتشفة مؤخرًا على شريط ديراك الإلكتروني وشريط إلكتروني مسطح تقريبًا. عند النقطة التي تلتقي فيها هذه النطاقات، يؤدي تأثير يسمى اقتران المدار المغزلي إلى إنشاء فجوة ضيقة بين النطاقات. يؤدي هذا الاقتران المداري الدوراني أيضًا إلى إنشاء نوع خاص من الحالة الأرضية الإلكترونية على سطح المادة.

 وللتحقق من طبيعة هذه الحالة الأرضية، استخدم دي سانتي وزملاؤه تقنية تُعرف باسم الدوران التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي ذو الزاوية (Spin ARPES). في هذه التقنية، تضرب الفوتونات عالية الطاقة الناتجة عن مسرع الجسيمات، أو السنكروترون، المادة من اتجاهات مختلفة، مما يجعلها تمتص الضوء وتنبعث منها الإلكترونات. يمكن قياس الطاقة والزخم والدوران لهذه الإلكترونات المنبعثة، واستخدام البيانات لرسم خريطة لبنية النطاق الإلكتروني للمادة.

الحالات الإلكترونية السطحية المستقطبة

من خلال الجمع بين هذه القياسات وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية المتقدمة (DFT)، أكد الباحثون أن هندسة kagome في TbV₆Sn₆ يؤدي بالفعل إلى ظهور فجوة بين نطاق Dirac والنطاق المسطح تقريبًا. مثل هذه الفجوة شائعة في جميع شبكات kagome التي تظهر اقترانًا مداريًا، لكن بينما كان الفيزيائيون على علم بوجود هذه الفجوة منذ سنوات، لم يقم أحد من قبل بقياس خاصية تسمى انحناء الدوران الكمي الطوبولوجي الذي ينتج عن الفجوة ويرتبط بـ الفضاء المنحني الذي تتواجد فيه الإلكترونات.

""بنفس الطريقة التي ينحني فيها الزمكان في كوننا بسبب المادة والنجوم والمجرات والثقوب السوداء، فإن الفضاء الذي تتحرك فيه الإلكترونات يمكن أن ينحني أيضًا"، يوضح دي سانتي. "لقد اكتشفنا هذا الانحناء في معادن الكاجومي."

تظهر تيارات Loopy في kagome superlattice

ويضيف دي سانتي أن العمل الجديد يمثل خطوة أولى نحو توصيف شامل لهذا الفضاء المنحني، وهو هدف رئيسي في مجال الهندسة الكمومية. ويقول: "هذه إحدى خصائص المواد الكمومية التي بدأنا باستكشافها مؤخرًا فقط، ونعلم بالفعل أن هندسة الكم ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة وغيرها من الظواهر الرائعة". "نأمل أن يساعد البروتوكول الذي قدمناه هنا في تسليط الضوء على فيزياء المواد الكمومية."