Físicos miden el 'espín topológico' de los electrones - Physics World

Un equipo internacional de físicos ha logrado medir por primera vez una propiedad del electrón conocida como devanado de espín topológico. El equipo obtuvo este resultado estudiando el comportamiento de los electrones en los llamados metales kagome, que son materiales que tienen propiedades cuánticas únicas relacionadas con su forma física o topología. El trabajo podría mejorar nuestra comprensión de la física de los superconductores y otros sistemas que contienen electrones fuertemente correlacionados.

Los metales Kagome llevan el nombre de una técnica tradicional japonesa de tejido de cestas que produce un entramado de triángulos simétricos entrelazados con esquinas compartidas. Cuando los átomos de un metal u otro conductor están dispuestos en este patrón kagome, sus electrones se comportan de maneras inusuales. Por ejemplo, las funciones de onda de los electrones pueden interferir de manera destructiva, dando como resultado estados electrónicos altamente localizados en los que las partículas interactúan fuertemente entre sí. Estas fuertes interacciones conducen a una variedad de fenómenos cuánticos, incluido el ordenamiento magnético de espines de electrones no apareados que pueden producir, por ejemplo, fases ferromagnéticas o antiferromagnéticas, estructuras superconductoras, líquidos de espín cuántico y fases topológicas anormales. Todas estas fases tienen aplicaciones en tecnologías avanzadas de nanoelectrónica y espintrónica.

En el nuevo trabajo, investigadores dirigidos por domenico di sante de las Universidad de Bolonia en Italia Estudió el espín y la estructura electrónica de XV.₆Sn₆, donde X es un elemento de tierras raras. Estos metales kagome recientemente descubiertos contienen una banda electrónica de Dirac y una banda electrónica casi plana. En el punto en el que estas bandas se encuentran, un efecto llamado acoplamiento de órbita de giro crea una brecha estrecha entre las bandas. Este acoplamiento de órbita giratoria también crea un tipo especial de estado fundamental electrónico en la superficie del material.

 Para investigar la naturaleza de este estado fundamental, Di Sante y sus colegas utilizaron una técnica conocida como giro. espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (espín ARPES). En esta técnica, fotones de alta energía generados por un acelerador de partículas, o sincrotrón, golpean el material desde diferentes direcciones, lo que hace que absorba luz y emita electrones. Se pueden medir la energía, los momentos y el espín de estos electrones emitidos, y los datos se pueden utilizar para mapear la estructura de bandas electrónicas del material.

Estados electrónicos de superficie polarizada.

Al combinar estas mediciones con cálculos avanzados de la teoría funcional de la densidad (DFT), los investigadores confirmaron que la geometría kagome en TbV₆Sn₆ De hecho, da lugar a una brecha entre la banda de Dirac y la banda casi plana. Tal brecha es común a todas las redes Kagome que muestran acoplamiento espín-órbita, pero si bien los físicos sabían de la existencia de la brecha durante años, nadie había medido previamente una propiedad llamada curvatura de espín cuántica topológica que resulta de la brecha y está relacionada con la Espacio curvo en el que residen los electrones.

"Así como el espacio-tiempo de nuestro universo está curvado por la materia, las estrellas, las galaxias y los agujeros negros, el espacio en el que se mueven los electrones también puede estar curvado”, explica Di Sante. "Hemos detectado esta curvatura en los metales kagome".

Corrientes en bucle aparecen en una superred de Kagome

El nuevo trabajo representa un primer paso hacia una caracterización exhaustiva de este espacio curvo, un objetivo clave en el campo de la geometría cuántica, añade Di Sante. "Ésta es una propiedad de los materiales cuánticos que hemos empezado a explorar hace poco y ya sabemos que la geometría cuántica también está íntimamente ligada a la superconductividad y otros fenómenos fascinantes", afirma. "Esperamos que el protocolo que hemos introducido aquí ayude a arrojar luz sobre la física de los materiales cuánticos".