Des physiciens mesurent le "spin topologique" d'un électron – Physics World

Une équipe internationale de physiciens a réussi à mesurer pour la première fois une propriété de l’électron connue sous le nom d’enroulement de spin topologique. L’équipe a obtenu ce résultat en étudiant le comportement des électrons dans les métaux dits kagome, qui sont des matériaux possédant des propriétés quantiques uniques liées à leur forme physique, ou topologie. Ces travaux pourraient faire progresser notre compréhension de la physique des supraconducteurs et d’autres systèmes contenant des électrons fortement corrélés.

Les métaux Kagome doivent leur nom à une technique traditionnelle de vannerie japonaise qui produit un réseau de triangles symétriques entrelacés avec des coins partagés. Lorsque les atomes d’un métal ou d’un autre conducteur sont disposés selon ce motif kagome, leurs électrons se comportent de manière inhabituelle. Par exemple, les fonctions d’onde des électrons peuvent interférer de manière destructrice, entraînant des états électroniques très localisés dans lesquels les particules interagissent fortement les unes avec les autres. Ces fortes interactions conduisent à toute une série de phénomènes quantiques, notamment l'ordonnancement magnétique des spins d'électrons non appariés qui peuvent produire, par exemple, des phases ferro ou antiferromagnétiques, des structures supraconductrices, des liquides de spin quantiques et des phases topologiques anormales. Toutes ces phases ont des applications dans les technologies avancées de nanoélectronique et de spintronique.

Dans le nouveau travail, des chercheurs dirigés par Domenico Di Santé des Université de Bologne en Italie étudié le spin et la structure électronique de XV₆Sn₆, où X est un élément de terre rare. Ces métaux kagome récemment découverts contiennent une bande électronique Dirac et une bande électronique presque plate. Au point où ces bandes se rencontrent, un effet appelé couplage spin-orbite crée un espace étroit entre les bandes. Ce couplage spin-orbite crée également un type spécial d’état fondamental électronique à la surface du matériau.

 Pour étudier la nature de cet état fondamental, Di Sante et ses collègues ont utilisé une technique connue sous le nom de spin. spectroscopie de photoémission résolue en angle (spin ARPES). Dans cette technique, des photons à haute énergie générés par un accélérateur de particules, ou synchrotron, frappent le matériau dans différentes directions, l'amenant à absorber la lumière et à émettre des électrons. L'énergie, l'impulsion et le spin de ces électrons émis peuvent être mesurés, et les données utilisées pour cartographier la structure de bande électronique du matériau.

États électroniques de surface polarisée

En combinant ces mesures avec des calculs avancés de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), les chercheurs ont confirmé que la géométrie du kagome dans le TbV₆Sn₆ donne en effet lieu à un écart entre la bande de Dirac et la bande quasi plate. Un tel écart est commun à tous les réseaux kagome qui présentent un couplage spin-orbite, mais alors que les physiciens connaissaient l'existence de cet écart depuis des années, personne n'avait auparavant mesuré une propriété appelée courbure de spin quantique topologique qui résulte de l'écart et est liée à l'espace. espace courbe dans lequel résident les électrons.

"De la même manière que l’espace-temps de notre univers est courbé par la matière, les étoiles, les galaxies et les trous noirs, l’espace dans lequel se déplacent les électrons peut également être courbé », explique Di Sante. "Nous avons détecté cette courbure dans les métaux kagome."

Des courants en boucle apparaissent dans un super-réseau kagome

Ces nouveaux travaux représentent une première étape vers une caractérisation approfondie de cet espace courbe – un objectif clé dans le domaine de la géométrie quantique, ajoute Di Sante. « Il s'agit d'une propriété des matériaux quantiques que nous n'avons commencé à explorer que récemment et nous savons déjà que la géométrie quantique est également intimement liée à la supraconductivité et à d'autres phénomènes fascinants », explique-t-il. "Nous espérons que le protocole que nous avons présenté ici contribuera à faire la lumière sur la physique des matériaux quantiques."