Physiker messen den „topologischen Spin“ eines Elektrons – Physics World

Einem internationalen Physikerteam ist es erstmals gelungen, eine Eigenschaft des Elektrons zu messen, die als topologische Spinwicklung bekannt ist. Zu diesem Ergebnis gelangte das Team, indem es das Verhalten von Elektronen in sogenannten Kagome-Metallen untersuchte, bei denen es sich um Materialien handelt, die einzigartige Quanteneigenschaften in Bezug auf ihre physikalische Form oder Topologie aufweisen. Die Arbeit könnte unser Verständnis der Physik von Supraleitern und anderen Systemen, die stark korrelierte Elektronen enthalten, verbessern.

Kagome-Metalle sind nach einer traditionellen japanischen Korbflechttechnik benannt, bei der ein Gitter aus ineinander verschlungenen, symmetrischen Dreiecken mit gemeinsamen Ecken entsteht. Wenn die Atome eines Metalls oder eines anderen Leiters in diesem Kagome-Muster angeordnet sind, verhalten sich ihre Elektronen auf ungewöhnliche Weise. Beispielsweise können die Wellenfunktionen der Elektronen destruktiv interferieren, was zu stark lokalisierten elektronischen Zuständen führt, in denen die Teilchen stark miteinander wechselwirken. Diese starken Wechselwirkungen führen zu einer Reihe von Quantenphänomenen, einschließlich der magnetischen Ordnung ungepaarter Elektronenspins, die beispielsweise ferro- oder antiferromagnetische Phasen, supraleitende Strukturen, Quantenspinflüssigkeiten und abnormale topologische Phasen erzeugen können. Alle diese Phasen finden Anwendung in fortschrittlichen Nanoelektronik- und Spintronik-Technologien.

In der neuen Arbeit führten Forscher durch Domenico di Sante dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität Bologna in Italien untersuchte den Spin und die elektronische Struktur von XV₆Sn₆, wobei X ein Seltenerdelement ist. Diese kürzlich entdeckten Kagome-Metalle enthalten eine elektronische Dirac-Bande und eine nahezu flache elektronische Bande. An der Stelle, an der sich diese Bänder treffen, entsteht durch einen Effekt namens Spin-Bahn-Kopplung eine schmale Lücke zwischen den Bändern. Diese Spin-Bahn-Kopplung erzeugt auch einen besonderen elektronischen Grundzustand an der Materialoberfläche.

 Um die Natur dieses Grundzustands zu untersuchen, verwendeten Di Sante und Kollegen eine Technik namens Spin Winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (Spin-ARPES). Bei dieser Technik treffen hochenergetische Photonen, die von einem Teilchenbeschleuniger oder Synchrotron erzeugt werden, aus verschiedenen Richtungen auf das Material, wodurch es Licht absorbiert und Elektronen aussendet. Die Energie, Impulse und Spin dieser emittierten Elektronen können gemessen und die Daten zur Kartierung der elektronischen Bandstruktur des Materials verwendet werden.

Polarisierte elektronische Oberflächenzustände

Durch die Kombination dieser Messungen mit DFT-Berechnungen (Advanced Density Functional Theory) bestätigten die Forscher, dass die Kagome-Geometrie in TbV₆Sn₆ führt tatsächlich zu einer Lücke zwischen dem Dirac-Band und dem nahezu flachen Band. Eine solche Lücke ist allen Kagome-Gittern gemeinsam, die eine Spin-Bahn-Kopplung aufweisen, aber während Physiker schon seit Jahren von der Existenz dieser Lücke wussten, hatte noch niemand zuvor eine Eigenschaft namens topologische Quantenspinkrümmung gemessen, die sich aus der Lücke ergibt und mit der Lücke zusammenhängt gekrümmter Raum, in dem sich Elektronen befinden.

"So wie die Raumzeit unseres Universums durch Materie, Sterne, Galaxien und Schwarze Löcher gekrümmt wird, kann auch der Raum, in dem sich die Elektronen bewegen, gekrümmt sein“, erklärt Di Sante. „Wir haben diese Krümmung in Kagome-Metallen entdeckt.“

Schleifenströme erscheinen in einem Kagome-Übergitter

Die neue Arbeit stellt einen ersten Schritt hin zu einer gründlichen Charakterisierung dieses gekrümmten Raums dar – ein zentrales Ziel auf dem Gebiet der Quantengeometrie, fügt Di Sante hinzu. „Dies ist eine Eigenschaft von Quantenmaterialien, mit deren Erforschung wir erst vor kurzem begonnen haben, und wir wissen bereits, dass die Quantengeometrie auch eng mit der Supraleitung und anderen faszinierenden Phänomenen verbunden ist“, sagt er. „Wir hoffen, dass das hier vorgestellte Protokoll dazu beitragen wird, Licht in die Physik von Quantenmaterialien zu bringen.“