פיזיקאים מודדים את ה"ספין הטופולוגי" של האלקטרון - עולם הפיזיקה

צוות בינלאומי של פיזיקאים הצליח למדוד לראשונה תכונה של האלקטרון המכונה ספין טופולוגי. הצוות השיג תוצאה זו על ידי חקר ההתנהגות של אלקטרונים במתכות קגומה כביכול, שהן חומרים בעלי תכונות קוונטיות ייחודיות הקשורות לצורתם הפיזית, או לטופולוגיה. העבודה יכולה לקדם את הבנתנו את הפיזיקה של מוליכים ומערכות אחרות המכילות אלקטרונים בעלי מתאם חזק.

מתכות קגומה נקראות על שם טכניקת אריגת סלים יפנית מסורתית המייצרת סריג של משולשים סימטריים שלובים עם פינות משותפות. כאשר האטומים של מתכת או מוליך אחר מסודרים בתבנית קגומה זו, האלקטרונים שלהם מתנהגים בדרכים יוצאות דופן. לדוגמה, פונקציות הגל של האלקטרונים עלולות להפריע בצורה הרסנית, וכתוצאה מכך למצבים אלקטרוניים מקומיים מאוד שבהם החלקיקים מקיימים אינטראקציה חזקה זה עם זה. אינטראקציות חזקות אלו מובילות למגוון של תופעות קוונטיות, כולל סדר מגנטי של ספינים של אלקטרונים לא מזווגים שיכולים לייצר, למשל, שלבים ברזליים או אנטי-פרומגנטיים, מבנים מוליכים-על, נוזלי ספין קוונטי ופאזות טופולוגיות לא נורמליות. לכל השלבים הללו יש יישומים בטכנולוגיות ננו-אלקטרוניקה וספינטרוניקה מתקדמות.

בעבודה החדשה, חוקרים בראשות דומניקו די סנטה של אוניברסיטת בולוניה באיטליה חקר את הספין והמבנה האלקטרוני של XV₆Sn₆, כאשר X הוא יסוד אדמה נדירה. מתכות הקגומה שהתגלו לאחרונה מכילות להקה אלקטרונית של Dirac ולהקה אלקטרונית כמעט שטוחה. בנקודה בה הרצועות הללו נפגשות, אפקט הנקרא צימוד ספין-מסלול יוצר פער צר בין הרצועות. צימוד ספין-מסלול זה יוצר גם סוג מיוחד של מצב קרקע אלקטרוני על פני החומר.

 כדי לחקור את טיבו של מצב קרקע זה, די סנטה ועמיתיו השתמשו בטכניקה המכונה ספין ספקטרוסקופיה פוטו-פליטה עם פתרון זווית (ספין ARPES). בטכניקה זו, פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה הנוצרים על ידי מאיץ חלקיקים, או סינכרוטרון, פוגעים בחומר מכיוונים שונים, וגורמים לו לספוג אור ולפלוט אלקטרונים. ניתן למדוד את האנרגיה, המומנטה והספין של האלקטרונים הנפלטים הללו, ולהשתמש בנתונים למיפוי מבנה הפס האלקטרוני של החומר.

מצבי משטח מקוטבים אלקטרוניים

על ידי שילוב של מדידות אלה עם חישובי תיאוריית פונקציונליות צפיפות מתקדמת (DFT), החוקרים אישרו שגיאומטריית הקגומה ב-TbV₆Sn₆ אכן יוצר פער בין להקת דיראק ללהקה הכמעט שטוחה. פער כזה משותף לכל סריגי הקגומה המראים צימוד ספין-מסלול, אך בעוד שהפיזיקאים ידעו על קיומו של הפער במשך שנים, איש לא מדד קודם לכן תכונה הנקראת עקמומיות ספין קוונטית טופולוגית הנובעת מהפער וקשורה ל- חלל מעוקל בו שוכנים אלקטרונים.

"באותו אופן שבו המרחב-זמן של היקום שלנו מעוקל על ידי חומר, כוכבים, גלקסיות וחורים שחורים, גם המרחב שבו נעים האלקטרונים יכול להתעקם", מסביר די סנטה. "זיהינו את העקמומיות הזו במתכות קגומה."

זרמים לולפיים מופיעים בסריג-על של קגומה

העבודה החדשה מייצגת צעד ראשון לקראת אפיון יסודי של המרחב המעוגל הזה - מטרת מפתח בתחום הגיאומטריה הקוונטית, מוסיף די סנטה. "זהו תכונה של חומרים קוונטיים שהתחלנו לחקור רק לאחרונה ואנחנו כבר יודעים שגיאומטריה קוונטית קשורה קשר הדוק למוליכות-על ולתופעות מרתקות אחרות", הוא אומר. "אנו מקווים שהפרוטוקול שהצגנו כאן יעזור לשפוך אור על הפיזיקה של חומרים קוונטיים."