Füüsikud mõõdavad elektronide "topoloogilist spinni" – füüsikamaailm

Rahvusvahelisel füüsikute meeskonnal on esimest korda õnnestunud mõõta elektroni omadust, mida tuntakse topoloogilise spininguna. Meeskond sai selle tulemuse, uurides elektronide käitumist niinimetatud kagome metallides, mis on materjalid, millel on ainulaadsed kvantomadused, mis on seotud nende füüsilise kuju ehk topoloogiaga. Töö võib edendada meie arusaamist ülijuhtide ja muude tugevalt korrelatsioonis elektrone sisaldavate süsteemide füüsikast.

Kagome metallid on oma nime saanud traditsioonilise Jaapani korvipunumistehnika järgi, mis tekitab põimitud sümmeetriliste kolmnurkade võre, millel on jagatud nurgad. Kui metalli või muu juhi aatomid on paigutatud sellesse kagome mustrisse, käituvad nende elektronid ebatavaliselt. Näiteks võivad elektronide lainefunktsioonid destruktiivselt segada, mille tulemuseks on väga lokaliseeritud elektroonilised olekud, milles osakesed interakteeruvad üksteisega tugevalt. Need tugevad vastasmõjud põhjustavad mitmesuguseid kvantnähtusi, sealhulgas paaritute elektronide keerutuste magnetiline järjestamine, mis võib tekitada näiteks ferro- või antiferromagnetilisi faase, ülijuhtivaid struktuure, kvantpöörlemisvedelikke ja ebanormaalseid topoloogilisi faase. Kõigil neil etappidel on rakendusi täiustatud nanoelektroonika ja spintroonika tehnoloogiates.

Uues töös juhivad teadlased Domenico Di Sante Euroopa Bologna ülikool Itaalias uuris XV spinni ja elektronstruktuuri₆Sn₆, kus X on haruldaste muldmetallide element. Need hiljuti avastatud kagome metallid sisaldavad Diraci elektroonilist bändi ja peaaegu lamedat elektroonilist bändi. Nende ribade kokkupuutepunktis tekitab efekt, mida nimetatakse spin-orbiidi sidumiseks, ribade vahele kitsa lõhe. See spin-orbiidi ühendus loob materjali pinnal ka spetsiaalse elektroonilise põhioleku.

 Selle põhiseisundi olemuse uurimiseks kasutasid Di Sante ja tema kolleegid tehnikat, mida tuntakse spinni nime all nurgalahutusega fotoemissioonispektroskoopia (spin ARPES). Selle tehnika puhul löövad osakeste kiirendi ehk sünkrotroni tekitatud suure energiaga footonid materjali erinevatest suundadest, pannes selle valgust neelama ja elektrone kiirgama. Nende emiteeritud elektronide energiat, momenti ja spinni saab mõõta ning andmeid kasutada materjali elektroonilise riba struktuuri kaardistamiseks.

Polariseeritud pinna elektroonilised olekud

Kombineerides need mõõtmised täiustatud tiheduse funktsionaalse teooria (DFT) arvutustega, kinnitasid teadlased, et kagome geomeetria TbV-s₆Sn₆ põhjustab tõepoolest lõhe Diraci riba ja peaaegu lameda riba vahel. Selline lõhe on omane kõikidele spin-orbiidi sidestust näitavatele kagome võredele, kuid kuigi füüsikud teadsid pilu olemasolust aastaid, ei olnud keegi varem mõõtnud omadust, mida nimetatakse topoloogiliseks kvantspinni kõveruseks ja mis tuleneb tühimusest ja on seotud kumer ruum, milles elektronid asuvad.

"Samamoodi nagu meie universumi aegruumi kõverdavad aine, tähed, galaktikad ja mustad augud, võib ka elektronide liikumise ruum olla kaardus,” selgitab Di Sante. "Oleme tuvastanud selle kumeruse kagome metallides."

Kagome supervõres ilmuvad silmusvoolud

Di Sante lisab, et uus töö on esimene samm selle kõvera ruumi põhjaliku iseloomustamise suunas - see on peamine eesmärk kvantgeomeetria valdkonnas. "See on kvantmaterjalide omadus, mida oleme alles hiljuti uurima hakanud ja teame juba, et kvantgeomeetria on tihedalt seotud ülijuhtivuse ja muude põnevate nähtustega," ütleb ta. "Loodame, et siin tutvustatud protokoll aitab valgustada kvantmaterjalide füüsikat."