Οι φυσικοί μετρούν την «τοπολογική σπιν» του ηλεκτρονίου – Physics World

Μια διεθνής ομάδα φυσικών πέτυχε να μετρήσει για πρώτη φορά μια ιδιότητα του ηλεκτρονίου γνωστή ως περιέλιξη τοπολογικής σπιν. Η ομάδα έλαβε αυτό το αποτέλεσμα μελετώντας τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στα λεγόμενα μέταλλα kagome, τα οποία είναι υλικά που έχουν μοναδικές κβαντικές ιδιότητες που σχετίζονται με το φυσικό τους σχήμα ή την τοπολογία. Η εργασία θα μπορούσε να προωθήσει την κατανόησή μας για τη φυσική των υπεραγωγών και άλλων συστημάτων που περιέχουν ισχυρά συσχετισμένα ηλεκτρόνια.

Τα μέταλλα Kagome πήραν το όνομά τους από μια παραδοσιακή ιαπωνική τεχνική ύφανσης καλαθιού που παράγει ένα πλέγμα από συμπλεγμένα, συμμετρικά τρίγωνα με κοινές γωνίες. Όταν τα άτομα ενός μετάλλου ή άλλου αγωγού είναι διατεταγμένα σε αυτό το μοτίβο καγώμης, τα ηλεκτρόνια τους συμπεριφέρονται με ασυνήθιστους τρόπους. Για παράδειγμα, οι κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων μπορούν να παρέμβουν καταστροφικά, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται άκρως εντοπισμένες ηλεκτρονικές καταστάσεις στις οποίες τα σωματίδια αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους. Αυτές οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις οδηγούν σε μια σειρά κβαντικών φαινομένων, συμπεριλαμβανομένης της μαγνητικής διάταξης ασύζευκτων σπιν ηλεκτρονίων που μπορούν να παράγουν, για παράδειγμα, σιδηρο- ή αντισιδηρομαγνητικές φάσεις, υπεραγώγιμες δομές, υγρά κβαντικού σπιν και ανώμαλες τοπολογικές φάσεις. Όλες αυτές οι φάσεις έχουν εφαρμογές σε προηγμένες τεχνολογίες νανοηλεκτρονικής και σπιντρονικής.

Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής Domenico Di Sante του Πανεπιστήμιο της Μπολόνια στην Ιταλία μελέτησε το spin και την ηλεκτρονική δομή του XV₆Sn₆, όπου το Χ είναι στοιχείο σπανίων γαιών. Αυτά τα μέταλλα kagome που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα περιέχουν μια ηλεκτρονική μπάντα Dirac και μια σχεδόν επίπεδη ηλεκτρονική μπάντα. Στο σημείο στο οποίο συναντώνται αυτές οι ζώνες, ένα φαινόμενο που ονομάζεται σύζευξη περιστροφικής τροχιάς δημιουργεί ένα στενό χάσμα μεταξύ των ζωνών. Αυτή η σύζευξη περιστροφικής τροχιάς δημιουργεί επίσης ειδικό τύπο ηλεκτρονικής βασικής κατάστασης στην επιφάνεια του υλικού.

 Για να διερευνήσουν τη φύση αυτής της βασικής κατάστασης, ο Di Sante και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια τεχνική γνωστή ως spin φασματοσκοπία φωτοεκπομπής με ανάλυση γωνίας (spin ARPES). Σε αυτή την τεχνική, φωτόνια υψηλής ενέργειας που παράγονται από έναν επιταχυντή σωματιδίων, ή σύγχροτρο, χτυπούν το υλικό από διαφορετικές κατευθύνσεις, αναγκάζοντάς το να απορροφά φως και να εκπέμπει ηλεκτρόνια. Η ενέργεια, η ροπή και το σπιν αυτών των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων μπορούν να μετρηθούν και τα δεδομένα να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση της δομής της ηλεκτρονικής ζώνης του υλικού.

Ηλεκτρονικές καταστάσεις πολωμένης επιφάνειας

Συνδυάζοντας αυτές τις μετρήσεις με υπολογισμούς προηγμένης συναρτησιακής θεωρίας πυκνότητας (DFT), οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι η γεωμετρία του kagome στο TbV₆Sn₆ πράγματι δημιουργεί ένα χάσμα μεταξύ της μπάντας Dirac και της σχεδόν επίπεδης μπάντας. Ένα τέτοιο διάκενο είναι κοινό σε όλα τα πλέγματα kagome που εμφανίζουν σύζευξη περιστροφής-τροχιάς, αλλά ενώ οι φυσικοί γνώριζαν για την ύπαρξη του κενού εδώ και χρόνια, κανείς δεν είχε μετρήσει προηγουμένως μια ιδιότητα που ονομάζεται τοπολογική κβαντική καμπυλότητα σπιν που προκύπτει από το διάκενο και σχετίζεται με την καμπύλος χώρος στον οποίο βρίσκονται τα ηλεκτρόνια.

"Με τον ίδιο τρόπο που ο χωροχρόνος του σύμπαντός μας καμπυλώνεται από την ύλη, τα αστέρια, τους γαλαξίες και τις μαύρες τρύπες, ο χώρος στον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια μπορεί επίσης να καμπυλωθεί», εξηγεί ο Di Sante. «Έχουμε εντοπίσει αυτή την καμπυλότητα σε μέταλλα καγκόμε».

Τα κυκλικά ρεύματα εμφανίζονται σε ένα υπερδικτυωτό πλέγμα kagome

Το νέο έργο αντιπροσωπεύει ένα πρώτο βήμα προς έναν ενδελεχή χαρακτηρισμό αυτού του καμπυλωμένου χώρου – ένας βασικός στόχος στον τομέα της κβαντικής γεωμετρίας, προσθέτει ο Di Sante. «Αυτή είναι μια ιδιότητα των κβαντικών υλικών που αρχίσαμε να εξερευνούμε μόλις πρόσφατα και ήδη γνωρίζουμε ότι η κβαντική γεωμετρία είναι επίσης στενά συνδεδεμένη με την υπεραγωγιμότητα και άλλα συναρπαστικά φαινόμενα», λέει. «Ελπίζουμε ότι το πρωτόκολλο που έχουμε παρουσιάσει εδώ θα βοηθήσει να ρίξει φως στη φυσική των κβαντικών υλικών».