물리학자들은 전자의 '위상학적 스핀'을 측정한다 – Physics World

국제 물리학자 팀이 처음으로 위상학적 스핀 권선(topological spinwinding)으로 알려진 전자의 특성을 측정하는 데 성공했습니다. 연구팀은 물리적 형태나 토폴로지와 관련된 독특한 양자 특성을 갖는 물질인 소위 카고메 금속(kagome metal)에서 전자의 거동을 연구함으로써 이 결과를 얻었다. 이 연구는 초전도체와 강하게 상관된 전자를 포함하는 기타 시스템의 물리학에 대한 우리의 이해를 향상시킬 수 있습니다.

카고메 금속은 모서리가 공유된 대칭 삼각형이 엇갈리게 얽힌 격자를 생성하는 전통적인 일본 바구니 직조 기술의 이름을 따서 명명되었습니다. 금속이나 다른 전도체의 원자가 이 카고메 패턴으로 배열되면 전자가 특이한 방식으로 행동합니다. 예를 들어, 전자의 파동함수는 파괴적으로 간섭하여 입자가 서로 강하게 상호 작용하는 고도로 국부적인 전자 상태를 초래할 수 있습니다. 이러한 강력한 상호 작용은 예를 들어 강자성 또는 반강자성 위상, 초전도 구조, 양자 스핀 액체 및 비정상적인 위상 위상을 생성할 수 있는 짝을 이루지 않은 전자 스핀의 자기 정렬을 포함한 다양한 양자 현상으로 이어집니다. 이러한 모든 단계에는 고급 나노전자공학 및 스핀트로닉스 기술이 적용됩니다.

새로운 연구에서 도메니코 디 산테 의 이탈리아 볼로냐대학교 XV의 스핀과 전자 구조를 연구했습니다.₆Sn₆, 여기서 X는 희토류 원소입니다. 최근에 발견된 이 카고메 금속에는 Dirac 전자 밴드와 거의 평평한 전자 밴드가 포함되어 있습니다. 이들 밴드가 만나는 지점에서 스핀-궤도 결합이라는 효과가 밴드 사이에 좁은 간격을 만듭니다. 이 스핀-궤도 결합은 또한 재료 표면에 특수한 유형의 전자 접지 상태를 생성합니다.

 이 바닥 상태의 특성을 조사하기 위해 Di Sante와 동료들은 스핀이라는 기술을 사용했습니다. 각도 분해 광전자 방출 분광법(스핀 ARPES). 이 기술에서는 입자 가속기 또는 싱크로트론에서 생성된 고에너지 광자가 여러 방향에서 물질에 충돌하여 빛을 흡수하고 전자를 방출합니다. 이렇게 방출된 전자의 에너지, 운동량, 스핀을 측정할 수 있으며, 이 데이터는 재료의 전자 밴드 구조를 매핑하는 데 사용됩니다.

편광된 표면 전자 상태

연구진은 이러한 측정을 고급 밀도 함수 이론(DFT) 계산과 결합하여 TbV의 카고메 기하학이₆Sn₆ 실제로 Dirac 밴드와 거의 플랫한 밴드 사이에 간격이 발생합니다. 이러한 간격은 스핀-궤도 결합을 보여주는 모든 카고메 격자에 공통적이지만 물리학자들은 수년 동안 간격의 존재에 대해 알고 있었지만 이전에는 간격에서 발생하고 다음과 관련된 위상적 양자 스핀 곡률이라는 특성을 측정한 사람은 아무도 없었습니다. 전자가 거주하는 곡선 공간.

"우리 우주의 시공간이 물질, 별, 은하, 블랙홀에 의해 휘어지는 것과 마찬가지로 전자가 움직이는 공간도 휘어질 수 있습니다.”라고 Di Sante는 설명합니다. "우리는 카고메 금속에서 이러한 곡률을 감지했습니다."

고리 모양의 전류가 카고메 초격자에 나타납니다.

새로운 연구는 양자 기하학 분야의 핵심 목표인 이 곡선 공간의 철저한 특성화를 향한 첫 번째 단계를 나타낸다고 Di Sante는 덧붙였습니다. “이것은 우리가 최근에야 탐구하기 시작한 양자 물질의 특성이며, 우리는 양자 기하학이 초전도 및 기타 흥미로운 현상과도 밀접하게 연관되어 있다는 것을 이미 알고 있습니다.”라고 그는 말합니다. "여기서 소개한 프로토콜이 양자 물질의 물리학을 밝히는 데 도움이 되기를 바랍니다."