भौतिक विज्ञानी इलेक्ट्रॉन के 'टोपोलॉजिकल स्पिन' को मापते हैं - भौतिकी विश्व

भौतिकविदों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम पहली बार इलेक्ट्रॉन की एक संपत्ति को मापने में सफल रही है जिसे टोपोलॉजिकल स्पिन वाइंडिंग के रूप में जाना जाता है। टीम ने तथाकथित कागोम धातुओं में इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का अध्ययन करके यह परिणाम प्राप्त किया, जो ऐसी सामग्रियां हैं जिनमें उनके भौतिक आकार या टोपोलॉजी से संबंधित अद्वितीय क्वांटम गुण होते हैं। यह कार्य सुपरकंडक्टर्स और अन्य प्रणालियों की भौतिकी के बारे में हमारी समझ को आगे बढ़ा सकता है जिनमें दृढ़ता से सहसंबद्ध इलेक्ट्रॉन होते हैं।

कागोम धातुओं का नाम पारंपरिक जापानी टोकरी-बुनाई तकनीक के नाम पर रखा गया है जो साझा कोनों के साथ इंटरलेस्ड, सममित त्रिकोणों की एक जाली बनाती है। जब किसी धातु या अन्य कंडक्टर के परमाणुओं को इस कैगोम पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है, तो उनके इलेक्ट्रॉन असामान्य तरीके से व्यवहार करते हैं। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनों की तरंग क्रियाएँ विनाशकारी रूप से हस्तक्षेप कर सकती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अत्यधिक स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाएँ होती हैं जिनमें कण एक दूसरे के साथ दृढ़ता से संपर्क करते हैं। ये मजबूत इंटरैक्शन क्वांटम घटनाओं की एक श्रृंखला को जन्म देते हैं, जिसमें अयुग्मित इलेक्ट्रॉन स्पिन के चुंबकीय क्रम शामिल हैं जो उदाहरण के लिए, फेरो- या एंटीफेरोमैग्नेटिक चरण, सुपरकंडक्टिंग संरचनाएं, क्वांटम स्पिन तरल पदार्थ और असामान्य टोपोलॉजिकल चरण उत्पन्न कर सकते हैं। इन सभी चरणों में उन्नत नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और स्पिंट्रोनिक्स प्रौद्योगिकियों में अनुप्रयोग हैं।

नए काम में, शोधकर्ताओं के नेतृत्व में डोमेनिको डि सैंटे का इटली में बोलोग्ना विश्वविद्यालय XV की स्पिन और इलेक्ट्रॉनिक संरचना का अध्ययन किया₆Sn₆, जहां X एक दुर्लभ-पृथ्वी तत्व है। हाल ही में खोजी गई इन कागोम धातुओं में एक डायराक इलेक्ट्रॉनिक बैंड और एक लगभग सपाट इलेक्ट्रॉनिक बैंड होता है। जिस बिंदु पर ये बैंड मिलते हैं, स्पिन-ऑर्बिट युग्मन नामक प्रभाव बैंड के बीच एक संकीर्ण अंतर पैदा करता है। यह स्पिन-ऑर्बिट युग्मन सामग्री की सतह पर विशेष प्रकार की इलेक्ट्रॉनिक ग्राउंड स्थिति भी बनाता है।

 इस जमीनी स्थिति की प्रकृति की जांच करने के लिए, डि सैंटे और उनके सहयोगियों ने स्पिन नामक एक तकनीक का उपयोग किया कोण-समाधान फोटोउत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी (स्पिन ARPES)। इस तकनीक में, कण त्वरक या सिंक्रोट्रॉन द्वारा उत्पन्न उच्च-ऊर्जा फोटॉन, विभिन्न दिशाओं से सामग्री पर हमला करते हैं, जिससे यह प्रकाश को अवशोषित करता है और इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करता है। इन उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा, संवेग और स्पिन को मापा जा सकता है, और डेटा का उपयोग सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना को मैप करने के लिए किया जा सकता है।

ध्रुवीकृत सतह इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाएँ

इन मापों को उन्नत घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) गणनाओं के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि टीबीवी में कागोम ज्यामिति₆Sn₆ वास्तव में डिराक बैंड और लगभग फ्लैट बैंड के बीच एक अंतर पैदा होता है। ऐसा अंतर सभी कागोम लैटिस के लिए आम है जो स्पिन-ऑर्बिट युग्मन दिखाते हैं, लेकिन जबकि भौतिकविदों को वर्षों से अंतराल के अस्तित्व के बारे में पता था, किसी ने पहले टोपोलॉजिकल क्वांटम स्पिन वक्रता नामक संपत्ति को नहीं मापा था जो अंतराल से उत्पन्न होता है और संबंधित होता है घुमावदार स्थान जिसमें इलेक्ट्रॉन रहते हैं।

"डि सैंटे बताते हैं, ''जिस तरह हमारे ब्रह्मांड का अंतरिक्ष-समय पदार्थ, तारों, आकाशगंगाओं और ब्लैक होल द्वारा घुमावदार है, उसी तरह वह स्थान जिसमें इलेक्ट्रॉन चलते हैं, भी घुमावदार हो सकता है।'' "हमने कैगोम धातुओं में इस वक्रता का पता लगाया है।"

लूपी धाराएं कगोम सुपरलैटिस में दिखाई देती हैं

डि सैंटे कहते हैं, नया काम इस घुमावदार स्थान के संपूर्ण लक्षण वर्णन की दिशा में पहला कदम दर्शाता है - क्वांटम ज्यामिति के क्षेत्र में एक प्रमुख लक्ष्य। "यह क्वांटम सामग्रियों की एक संपत्ति है जिसे हमने हाल ही में खोजना शुरू किया है और हम पहले से ही जानते हैं कि क्वांटम ज्यामिति भी सुपरकंडक्टिविटी और अन्य आकर्षक घटनाओं से गहराई से जुड़ी हुई है," वे कहते हैं। "हमें उम्मीद है कि हमने यहां जो प्रोटोकॉल पेश किया है, वह क्वांटम सामग्रियों की भौतिकी पर प्रकाश डालने में मदद करेगा।"