فیزیکدانان "اسپین توپولوژیکی" الکترون را اندازه گیری می کنند - دنیای فیزیک

یک تیم بین المللی از فیزیکدانان برای اولین بار موفق به اندازه گیری خاصیت الکترون به نام سیم پیچ اسپین توپولوژیکی شدند. این تیم با مطالعه رفتار الکترون‌ها در فلزات کاگوم که موادی هستند که خواص کوانتومی منحصربه‌فردی مرتبط با شکل فیزیکی یا توپولوژی خود دارند، به این نتیجه رسیدند. این کار می‌تواند درک ما را از فیزیک ابررساناها و سایر سیستم‌هایی که حاوی الکترون‌های همبستگی قوی هستند، ارتقا دهد.

نام فلزات کاگوم برگرفته از روش سنتی سبد بافی ژاپنی است که شبکه‌ای از مثلث‌های متقارن و متقارن با گوشه‌های مشترک ایجاد می‌کند. وقتی اتم‌های یک فلز یا رسانای دیگر در این الگوی کاگوم قرار می‌گیرند، الکترون‌های آن‌ها به شیوه‌های غیرعادی رفتار می‌کنند. به عنوان مثال، توابع موج الکترون‌ها می‌توانند به طور مخربی تداخل داشته باشند و در نتیجه حالت‌های الکترونیکی بسیار موضعی ایجاد کنند که در آن ذرات به شدت با یکدیگر تعامل دارند. این برهمکنش‌های قوی منجر به طیف وسیعی از پدیده‌های کوانتومی، از جمله ترتیب مغناطیسی اسپین‌های الکترون‌های جفت نشده می‌شود که می‌تواند برای مثال، فازهای فرو یا ضد فرومغناطیسی، ساختارهای ابررسانا، مایعات اسپین کوانتومی و فازهای توپولوژیکی غیرعادی تولید کند. همه این فازها در فناوری های پیشرفته نانوالکترونیک و اسپینترونیک کاربرد دارند.

در کار جدید، محققان به رهبری دومنیکو دی سانته از دانشگاه بولونیا در ایتالیا چرخش و ساختار الکترونیکی XV را مطالعه کرد₆Sn₆، که در آن X یک عنصر خاکی کمیاب است. این فلزات کاگوم که اخیراً کشف شده اند حاوی یک باند الکترونیکی دیراک و یک نوار الکترونیکی تقریباً مسطح هستند. در نقطه‌ای که این نوارها به هم می‌رسند، اثری به نام جفت شدن مدار چرخشی، شکاف باریکی بین باندها ایجاد می‌کند. این جفت چرخشی مداری همچنین نوع خاصی از حالت پایه الکترونیکی را در سطح ماده ایجاد می کند.

 برای بررسی ماهیت این حالت پایه، دی سانته و همکارانش از تکنیکی به نام اسپین استفاده کردند طیف‌سنجی انتشار نوری تفکیک‌شده با زاویه (اسپین ARPES). در این تکنیک، فوتون های پرانرژی تولید شده توسط یک شتاب دهنده ذره یا سینکروترون، از جهات مختلف به ماده برخورد می کنند و باعث جذب نور و انتشار الکترون می شوند. انرژی، گشتاور و اسپین این الکترون‌های ساطع شده را می‌توان اندازه‌گیری کرد و از داده‌ها برای ترسیم ساختار نوار الکترونیکی مواد استفاده کرد.

حالت های الکترونیکی سطح قطبی شده

با ترکیب این اندازه‌گیری‌ها با محاسبات تئوری تابعی چگالی پیشرفته (DFT)، محققان تأیید کردند که هندسه کاگوم در TbV₆Sn₆ در واقع باعث ایجاد شکافی بین باند دیراک و نوار تقریباً مسطح می شود. چنین شکافی در همه شبکه‌های کاگوم که جفت شدن مدار- اسپین را نشان می‌دهند مشترک است، اما در حالی که فیزیکدانان سال‌ها از وجود این شکاف اطلاع داشتند، هیچ‌کس قبلاً خاصیتی به نام انحنای اسپین کوانتومی توپولوژیکی را اندازه‌گیری نکرده بود که از شکاف ناشی می‌شود و مربوط به شکاف است. فضای منحنی که الکترون ها در آن قرار دارند.

"دی سانته توضیح می دهد که همانطور که فضا-زمان جهان ما توسط ماده، ستاره ها، کهکشان ها و سیاهچاله ها منحنی می شود، فضایی که الکترون ها در آن حرکت می کنند نیز می تواند منحنی شود. ما این انحنا را در فلزات کاگومه شناسایی کرده‌ایم.»

جریان های حلقه ای در یک ابرشبکه کاگوم ظاهر می شوند

دی سانته می افزاید، کار جدید اولین گام به سوی توصیف کامل این فضای منحنی را نشان می دهد - یک هدف کلیدی در زمینه هندسه کوانتومی. او می‌گوید: «این خاصیت مواد کوانتومی است که ما اخیراً شروع به کاوش در آن کرده‌ایم و از قبل می‌دانیم که هندسه کوانتومی نیز ارتباط نزدیکی با ابررسانایی و سایر پدیده‌های جذاب دارد. ما امیدواریم که پروتکلی که در اینجا معرفی کرده‌ایم به روشن کردن فیزیک مواد کوانتومی کمک کند.»