Fyysikot mittaavat elektronien "topologista spiniä" – Physics World

Kansainvälinen fyysikkoryhmä on onnistunut mittaamaan ensimmäistä kertaa topologisena spinkääminä tunnetun elektronin ominaisuuden. Ryhmä sai tämän tuloksen tutkimalla elektronien käyttäytymistä niin kutsutuissa kagome-metalleissa, jotka ovat materiaaleja, joilla on ainutlaatuisia kvanttiominaisuuksia, jotka liittyvät niiden fyysiseen muotoon tai topologiaan. Työ voisi edistää ymmärrystämme suprajohteiden ja muiden voimakkaasti korreloituja elektroneja sisältävien järjestelmien fysiikasta.

Kagome-metallit on nimetty perinteisen japanilaisen korin kudontatekniikan mukaan, joka tuottaa ristikon lomitettuja, symmetrisiä kolmioita, joissa on jaetut kulmat. Kun metallin tai muun johtimen atomit on järjestetty tähän kagome-kuvioon, niiden elektronit käyttäytyvät epätavallisilla tavoilla. Esimerkiksi elektronien aaltofunktiot voivat häiritä tuhoisasti, mikä johtaa erittäin paikallisiin elektronisiin tiloihin, joissa hiukkaset vuorovaikuttavat voimakkaasti toistensa kanssa. Nämä voimakkaat vuorovaikutukset johtavat moniin kvanttiilmiöihin, mukaan lukien parittomia elektronien spinien magneettiseen järjestykseen, joka voi tuottaa esimerkiksi ferro- tai antiferromagneettisia faaseja, suprajohtavia rakenteita, kvanttipyöritysnesteitä ja epänormaaleja topologisia faaseja. Kaikilla näillä vaiheilla on sovelluksia edistyneissä nanoelektroniikan ja spintroniikassa.

Uudessa työssä tutkijat johtivat Domenico di Sante että Bolognan yliopisto Italiassa tutki XV:n spin- ja elektronirakennetta₆Sn₆, jossa X on harvinaisen maametallin alkuaine. Nämä hiljattain löydetyt kagome-metallit sisältävät Dirac-elektronisen bändin ja lähes litteän elektronisen bändin. Kohdassa, jossa nämä nauhat kohtaavat, spin-orbit coupling -niminen vaikutus luo kapean raon vyöhykkeiden väliin. Tämä spin-orbit-kytkentä luo myös erikoistyypin elektronisen maatilan materiaalin pinnalle.

 Tämän perustilan luonteen tutkimiseksi Di Sante ja kollegat käyttivät spin-tekniikkaa kulmaresoluutioinen fotoemissiospektroskopia (spin ARPES). Tässä tekniikassa hiukkaskiihdyttimen tai synkrotronin synnyttämät korkeaenergiset fotonit iskevät materiaaliin eri suunnista, jolloin se absorboi valoa ja emittoi elektroneja. Näiden emittoivien elektronien energia, momentti ja spin voidaan mitata ja dataa käyttää materiaalin elektronisen kaistarakenteen kartoittamiseen.

Polarisoidun pinnan elektroniset tilat

Yhdistämällä nämä mittaukset kehittyneiden tiheysfunktionaalisen teorian (DFT) laskelmiin tutkijat vahvistivat, että kagome-geometria TbV:ssä₆Sn₆ aiheuttaa todellakin aukon Dirac-kaistan ja lähes tasaisen nauhan välille. Tällainen aukko on yhteinen kaikille kagome-hiloille, jotka osoittavat spin-kiertorata-kytkennän, mutta vaikka fyysikot olivat tienneet raon olemassaolosta vuosia, kukaan ei ollut aiemmin mitannut raosta johtuvaa ominaisuutta nimeltä topologinen kvanttispin-kaarevuus ja joka liittyy kaareva tila, jossa elektronit asuvat.

"Samalla tavalla kuin universumimme aika-avaruus kaareutuu aineen, tähtien, galaksien ja mustien aukkojen avulla, myös elektronien liikkumistila voi olla kaareva”, Di Sante selittää. "Olemme havainneet tämän kaarevuuden kagomemetalleissa."

Silmukkavirrat näkyvät kagome-superhilassa

Uusi teos on ensimmäinen askel kohti tämän kaarevan tilan perusteellista karakterisointia - kvanttigeometrian keskeistä tavoitetta, Di Sante lisää. "Tämä on kvanttimateriaalien ominaisuus, jota olemme alkaneet tutkia vasta äskettäin ja tiedämme jo, että kvanttigeometria liittyy läheisesti myös suprajohtavuuteen ja muihin kiehtoviin ilmiöihin", hän sanoo. "Toivomme, että täällä käyttöönottamamme protokolla auttaa valaisemaan kvanttimateriaalien fysiikkaa."