Natuurkundigen meten de 'topologische spin' van elektronen - Physics World

Een internationaal team van natuurkundigen is er voor het eerst in geslaagd een eigenschap van het elektron te meten die bekend staat als topologische spinwikkeling. Het team behaalde dit resultaat door het gedrag van elektronen in zogenaamde kagome-metalen te bestuderen, dit zijn materialen met unieke kwantumeigenschappen die verband houden met hun fysieke vorm of topologie. Het werk zou ons begrip van de fysica van supergeleiders en andere systemen die sterk gecorreleerde elektronen bevatten, kunnen vergroten.

Kagome-metalen zijn vernoemd naar een traditionele Japanse mandenvlechttechniek die een rooster van in elkaar verweven, symmetrische driehoeken met gedeelde hoeken produceert. Wanneer de atomen van een metaal of een andere geleider in dit kagomepatroon zijn gerangschikt, gedragen hun elektronen zich op ongebruikelijke manieren. De golffuncties van de elektronen kunnen bijvoorbeeld destructief interfereren, wat resulteert in zeer gelokaliseerde elektronische toestanden waarin de deeltjes sterk met elkaar interageren. Deze sterke interacties leiden tot een reeks kwantumfenomenen, waaronder de magnetische ordening van ongepaarde elektronenspins die bijvoorbeeld ferro- of antiferromagnetische fasen, supergeleidende structuren, kwantumspinvloeistoffen en abnormale topologische fasen kunnen produceren. Al deze fasen hebben toepassingen in geavanceerde nano-elektronica- en spintronica-technologieën.

In het nieuwe werk, onderzoekers onder leiding van Domenico Di Sante van de Universiteit van Bologna in Italië bestudeerde de spin en elektronische structuur van XV₆Sn₆, waarbij X een zeldzaam aardelement is. Deze onlangs ontdekte kagome-metalen bevatten een elektronische Dirac-band en een bijna platte elektronische band. Op het punt waar deze banden elkaar ontmoeten, creëert een effect dat spin-orbit-koppeling wordt genoemd, een smalle opening tussen de banden. Deze spin-baankoppeling creëert ook een speciaal soort elektronische grondtoestand aan het oppervlak van het materiaal.

 Om de aard van deze grondtoestand te onderzoeken, gebruikten Di Sante en collega's een techniek die bekend staat als spin hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (spin ARPES). Bij deze techniek raken hoogenergetische fotonen, gegenereerd door een deeltjesversneller, of synchrotron, het materiaal vanuit verschillende richtingen, waardoor het licht absorbeert en elektronen uitzendt. De energie, het momentum en de spin van deze uitgezonden elektronen kunnen worden gemeten, en de gegevens kunnen worden gebruikt om de elektronische bandstructuur van het materiaal in kaart te brengen.

Gepolariseerde elektronische toestanden op het oppervlak

Door deze metingen te combineren met berekeningen met geavanceerde dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), bevestigden de onderzoekers dat de kagome-geometrie in TbV₆Sn₆ leidt inderdaad tot een kloof tussen de Dirac-band en de bijna vlakke band. Een dergelijke kloof is gemeenschappelijk voor alle kagome-roosters die spin-baankoppeling vertonen, maar hoewel natuurkundigen al jaren van het bestaan ​​van de kloof op de hoogte waren, had niemand eerder een eigenschap gemeten die topologische kwantumspinkromming wordt genoemd en die voortvloeit uit de kloof en verband houdt met de gekromde ruimte waarin elektronen zich bevinden.

"Op dezelfde manier waarop de ruimte-tijd van ons universum gekromd is door materie, sterren, sterrenstelsels en zwarte gaten, kan de ruimte waarin de elektronen bewegen ook gekromd zijn”, legt Di Sante uit. "We hebben deze kromming in kagome-metalen gedetecteerd."

Loopy-stromen verschijnen in een Kagome-superrooster

Het nieuwe werk vertegenwoordigt een eerste stap in de richting van een grondige karakterisering van deze gebogen ruimte – een belangrijk doel op het gebied van de kwantumgeometrie, voegt Di Sante toe. “Dit is een eigenschap van kwantummaterialen die we pas onlangs zijn gaan onderzoeken en we weten al dat kwantumgeometrie ook nauw verbonden is met supergeleiding en andere fascinerende verschijnselen”, zegt hij. “We hopen dat het protocol dat we hier hebben geïntroduceerd, zal helpen licht te werpen op de fysica van kwantummaterialen.”