Fisikawan mengukur 'putaran topologi' elektron – Dunia Fisika

Sebuah tim fisikawan internasional telah berhasil mengukur sifat elektron yang dikenal sebagai belitan putaran topologi untuk pertama kalinya. Tim memperoleh hasil ini dengan mempelajari perilaku elektron dalam logam kagome, yaitu material yang memiliki sifat kuantum unik terkait dengan bentuk fisik atau topologinya. Penelitian ini dapat meningkatkan pemahaman kita tentang fisika superkonduktor dan sistem lain yang mengandung elektron yang berkorelasi kuat.

Nama logam Kagome diambil dari teknik menenun keranjang tradisional Jepang yang menghasilkan kisi-kisi segitiga simetris yang saling bertautan dengan sudut yang sama. Ketika atom logam atau konduktor lain disusun dalam pola kagome ini, elektronnya berperilaku tidak biasa. Misalnya, fungsi gelombang elektron dapat berinterferensi secara destruktif, menghasilkan keadaan elektronik yang sangat terlokalisasi di mana partikel-partikel tersebut berinteraksi secara kuat satu sama lain. Interaksi kuat ini menyebabkan serangkaian fenomena kuantum, termasuk susunan magnetik putaran elektron tidak berpasangan yang dapat menghasilkan, misalnya, fase ferro atau antiferromagnetik, struktur superkonduktor, cairan putaran kuantum, dan fase topologi abnormal. Semua fase ini memiliki aplikasi dalam teknologi nanoelektronik dan spintronik yang canggih.

Dalam karya baru, peneliti dipimpin oleh Domenico Di Sante dari Universitas Bologna di Italia mempelajari putaran dan struktur elektronik XV₆Sn₆, dimana X adalah unsur tanah jarang. Logam kagome yang baru ditemukan ini mengandung pita elektronik Dirac dan pita elektronik yang hampir datar. Pada titik pertemuan pita-pita ini, efek yang disebut kopling spin-orbit menciptakan celah sempit di antara pita-pita tersebut. Kopling spin-orbit ini juga menciptakan keadaan dasar elektronik jenis khusus pada permukaan material.

 Untuk menyelidiki sifat keadaan dasar ini, Di Sante dan rekannya menggunakan teknik yang disebut spin spektroskopi fotoemisi sudut-terselesaikan (spin ARPES). Dalam teknik ini, foton berenergi tinggi yang dihasilkan oleh akselerator partikel, atau sinkrotron, menghantam material dari berbagai arah, menyebabkan material menyerap cahaya dan memancarkan elektron. Energi, momentum, dan putaran elektron yang dipancarkan ini dapat diukur, dan datanya digunakan untuk memetakan struktur pita elektronik material.

Keadaan elektronik permukaan terpolarisasi

Dengan menggabungkan pengukuran ini dengan perhitungan teori fungsi kepadatan lanjutan (DFT), para peneliti mengkonfirmasi bahwa geometri kagome di TbV₆Sn₆ memang menimbulkan gap antara band Dirac dan band yang hampir datar. Kesenjangan seperti ini umum terjadi pada semua kisi kagome yang menunjukkan penggandengan spin-orbit, namun meskipun fisikawan telah mengetahui keberadaan kesenjangan tersebut selama bertahun-tahun, belum ada seorang pun yang sebelumnya mengukur sifat yang disebut kelengkungan putaran kuantum topologi yang dihasilkan dari kesenjangan tersebut dan berkaitan dengan kelengkungan putaran kuantum topologi. ruang melengkung di mana elektron berada.

"Sama seperti ruang-waktu di alam semesta kita yang dilengkungkan oleh materi, bintang, galaksi, dan lubang hitam, ruang tempat elektron bergerak juga bisa melengkung,” jelas Di Sante. “Kami telah mendeteksi kelengkungan ini pada logam kagome.”

Arus loopy muncul di superlattice kagome

Karya baru ini mewakili langkah pertama menuju karakterisasi menyeluruh dari ruang melengkung ini – yang merupakan tujuan utama dalam bidang geometri kuantum, Di Sante menambahkan. “Ini adalah properti material kuantum yang baru-baru ini kami mulai eksplorasi dan kami telah mengetahui bahwa geometri kuantum juga terkait erat dengan superkonduktivitas dan fenomena menarik lainnya,” katanya. “Kami berharap protokol yang kami perkenalkan di sini akan membantu menjelaskan fisika material kuantum.”