Fizycy mierzą „topologiczny spin” elektronu – Physics World

Międzynarodowemu zespołowi fizyków po raz pierwszy udało się zmierzyć właściwość elektronu zwaną topologicznym uzwojeniem spinowym. Zespół uzyskał ten wynik, badając zachowanie elektronów w tak zwanych metalach kagome, które są materiałami posiadającymi unikalne właściwości kwantowe związane z ich kształtem fizycznym, czyli topologią. Prace te mogą pogłębić naszą wiedzę na temat fizyki nadprzewodników i innych układów zawierających silnie skorelowane elektrony.

Nazwa metali Kagome pochodzi od tradycyjnej japońskiej techniki tkania koszyków, która tworzy siatkę splecionych, symetrycznych trójkątów ze wspólnymi narożnikami. Kiedy atomy metalu lub innego przewodnika ułożone są według wzoru kagome, ich elektrony zachowują się w niezwykły sposób. Na przykład funkcje falowe elektronów mogą zakłócać się destrukcyjnie, powodując wysoce zlokalizowane stany elektronowe, w których cząstki silnie oddziałują ze sobą. Te silne interakcje prowadzą do szeregu zjawisk kwantowych, w tym uporządkowania magnetycznego spinów niesparowanych elektronów, które mogą wytwarzać na przykład fazy ferro- i antyferromagnetyczne, struktury nadprzewodzące, kwantowe ciecze spinowe i nieprawidłowe fazy topologiczne. Wszystkie te fazy mają zastosowanie w zaawansowanych technologiach nanoelektroniki i spintroniki.

W nowej pracy naukowcy pod kierunkiem Domenico Di Sante ukończenia Uniwersytet w Bolonii we Włoszech badał spin i strukturę elektronową XV₆Sn₆, gdzie X jest pierwiastkiem ziem rzadkich. Te niedawno odkryte metale kagome zawierają pasmo elektroniczne Diraca i prawie płaskie pasmo elektroniczne. W miejscu, w którym te pasma się spotykają, efekt zwany sprzężeniem spinowo-orbitalnym tworzy wąską szczelinę pomiędzy pasmami. To sprzężenie spin-orbita tworzy również specjalny rodzaj elektronicznego stanu podstawowego na powierzchni materiału.

 Aby zbadać naturę tego stanu podstawowego, Di Sante i współpracownicy zastosowali technikę znaną jako spin kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna (spin ARPES). W tej technice fotony o wysokiej energii generowane przez akcelerator cząstek, czyli synchrotron, uderzają w materiał z różnych kierunków, powodując, że pochłania on światło i emituje elektrony. Można zmierzyć energię, pęd i spin emitowanych elektronów, a dane wykorzystać do mapowania struktury pasm elektronowych materiału.

Spolaryzowane stany elektronowe powierzchni

Łącząc te pomiary z obliczeniami zaawansowanej teorii funkcjonału gęstości (DFT), naukowcy potwierdzili, że geometria kagome w TbV₆Sn₆ rzeczywiście powoduje powstanie luki pomiędzy wstęgą Diraca a wstęgą prawie płaską. Taka przerwa jest wspólna dla wszystkich sieci kagome, które wykazują sprzężenie spin-orbita, ale chociaż fizycy wiedzieli o istnieniu przerwy od lat, nikt wcześniej nie zmierzył właściwości zwanej topologiczną krzywizną spinu kwantowego, która wynika z przerwy i jest powiązana z zakrzywiona przestrzeń, w której znajdują się elektrony.

"W ten sam sposób, w jaki czasoprzestrzeń naszego wszechświata jest zakrzywiona przez materię, gwiazdy, galaktyki i czarne dziury, zakrzywiona może być również przestrzeń, w której poruszają się elektrony” – wyjaśnia Di Sante. „Wykryliśmy tę krzywiznę w metalach kagome”.

W supersieci kagome pojawiają się pętle prądów

Nowa praca stanowi pierwszy krok w kierunku dokładnej charakterystyki tej zakrzywionej przestrzeni, co jest kluczowym celem w dziedzinie geometrii kwantowej, dodaje Di Sante. „To właściwość materiałów kwantowych, którą zaczęliśmy badać dopiero niedawno, a już wiemy, że geometria kwantowa jest również ściśle powiązana z nadprzewodnictwem i innymi fascynującymi zjawiskami” – mówi. „Mamy nadzieję, że wprowadzony przez nas protokół pomoże rzucić światło na fizykę materiałów kwantowych”.