物理学者が電子の「トポロジカルスピン」を測定 – Physics World

物理学者の国際チームが、トポロジカルスピンワインディングとして知られる電子の性質の測定に初めて成功した。研究チームは、物理的形状またはトポロジーに関連する独特の量子特性を持つ材料である、いわゆるカゴメ金属における電子の挙動を研究することによってこの結果を得た。この研究により、超伝導体や強相関電子を含むその他の系の物理学の理解が進む可能性があります。

カゴメメタルは、角を共有した対称的な三角形の格子を織り交ぜた日本の伝統的な籠編み技術にちなんで名付けられました。金属やその他の導体の原子がこのカゴメパターンに配置されると、その電子は異常な動作をします。たとえば、電子の波動関数が破壊的に干渉する可能性があり、その結果、粒子が互いに強く相互作用する高度に局在化した電子状態が生じます。これらの強力な相互作用は、強磁性相や反強磁性相、超伝導構造、量子スピン液体、異常なトポロジカル相などを生成する不対電子スピンの磁気秩序を含む、さまざまな量子現象を引き起こします。これらすべての段階は、高度なナノエレクトロニクスおよびスピントロニクス技術に応用されています。

新作では、 ドメニコ・ディ・サンテ イタリアのボローニャ大学 XVのスピンと電子構造を研究した₆Sn₆ここで、X は希土類元素です。最近発見されたこれらのカゴメ金属には、ディラック電子バンドとほぼ平坦な電子バンドが含まれています。これらのバンドが交わる点では、スピン軌道結合と呼ばれる効果により、バンド間に狭いギャップが生じます。このスピン軌道結合により、材料の表面に特殊なタイプの電子基底状態も生成されます。

 この基底状態の性質を調査するために、ディ・サンテらはスピンとして知られる技術を使用しました。 角度分解光電子分光法 (スピン ARPES)。この技術では、粒子加速器またはシンクロトロンによって生成された高エネルギー光子がさまざまな方向から材料に衝突し、材料が光を吸収して電子を放出します。これらの放出された電子のエネルギー、運動量、スピンを測定し、そのデータを材料の電子バンド構造のマッピングに使用できます。

分極した表面の電子状態

これらの測定を高度な密度汎関数理論 (DFT) 計算と組み合わせることで、研究者らは TbV におけるカゴメ幾何学構造が₆Sn₆ 確かに、ディラックバンドとほぼフラットなバンドの間にギャップが生じます。このようなギャップは、スピン軌道結合を示すすべてのカゴメ格子に共通していますが、物理学者は何年も前からギャップの存在を知っていましたが、ギャップから生じ、電子が存在する湾曲した空間。

「私たちの宇宙の時空が物質、星、銀河、ブラック ホールによって湾曲するのと同じように、電子が移動する空間も湾曲する可能性があります」とディ サンテ氏は説明します。 「私たちはカゴメ金属にこの曲率を検出しました。」

ループ状の電流がカゴメ超格子に現れる

この新しい研究は、量子幾何学の分野における重要な目標である、この湾曲した空間の徹底的な特性評価に向けた第一歩となるとディ・サンテ氏は付け加えた。 「これは、私たちが研究し始めたのはつい最近の量子材料の特性であり、量子幾何学が超伝導やその他の興味深い現象にも密接に関連していることはすでにわかっています」と彼は言います。 「ここで紹介したプロトコルが量子材料の物理学の解明に役立つことを願っています。」