Físicos medem 'spin topológico' do elétron – Physics World

Uma equipe internacional de físicos conseguiu medir pela primeira vez uma propriedade do elétron conhecida como enrolamento de spin topológico. A equipe obteve esse resultado estudando o comportamento dos elétrons nos chamados metais kagome, que são materiais que possuem propriedades quânticas únicas relacionadas à sua forma física, ou topologia. O trabalho poderá avançar na nossa compreensão da física dos supercondutores e outros sistemas que contêm elétrons fortemente correlacionados.

Os metais Kagome têm o nome de uma técnica tradicional japonesa de cestaria que produz uma treliça de triângulos simétricos entrelaçados com cantos compartilhados. Quando os átomos de um metal ou outro condutor estão dispostos neste padrão kagome, seus elétrons se comportam de maneira incomum. Por exemplo, as funções de onda dos elétrons podem interferir de forma destrutiva, resultando em estados eletrônicos altamente localizados nos quais as partículas interagem fortemente umas com as outras. Essas fortes interações levam a uma série de fenômenos quânticos, incluindo ordenação magnética de spins de elétrons desemparelhados que podem produzir, por exemplo, fases ferro ou antiferromagnéticas, estruturas supercondutoras, líquidos de spin quântico e fases topológicas anormais. Todas essas fases têm aplicações em tecnologias avançadas de nanoeletrônica e spintrônica.

No novo trabalho, pesquisadores liderados por Domenico Di Sante da Universidade de Bolonha na Itália estudou o spin e a estrutura eletrônica do XV₆Sn₆, onde X é um elemento de terras raras. Esses metais kagome recentemente descobertos contêm uma banda eletrônica de Dirac e uma banda eletrônica quase plana. No ponto em que essas bandas se encontram, um efeito chamado acoplamento spin-órbita cria uma lacuna estreita entre as bandas. Este acoplamento spin-órbita também cria um tipo especial de estado fundamental eletrônico na superfície do material.

 Para investigar a natureza deste estado fundamental, Di Sante e colegas usaram uma técnica conhecida como spin espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo (spin ARPES). Nesta técnica, fótons de alta energia gerados por um acelerador de partículas, ou síncrotron, atingem o material em diferentes direções, fazendo com que ele absorva luz e emita elétrons. A energia, os momentos e o spin desses elétrons emitidos podem ser medidos e os dados usados ​​para mapear a estrutura da banda eletrônica do material.

Estados eletrônicos de superfície polarizada

Ao combinar essas medições com cálculos avançados da teoria do funcional da densidade (DFT), os pesquisadores confirmaram que a geometria kagome em TbV₆Sn₆ de fato dá origem a uma lacuna entre a banda de Dirac e a banda quase plana. Tal lacuna é comum a todas as redes kagome que mostram acoplamento spin-órbita, mas embora os físicos soubessem da existência da lacuna há anos, ninguém havia medido anteriormente uma propriedade chamada curvatura de spin quântica topológica que resulta da lacuna e está relacionada ao espaço curvo onde residem os elétrons.

"Da mesma forma que o espaço-tempo do nosso universo é curvado pela matéria, estrelas, galáxias e buracos negros, o espaço no qual os elétrons se movem também pode ser curvado”, explica Di Sante. “Detectamos essa curvatura em metais kagome .”

Correntes em loop aparecem em uma super-rede kagome

O novo trabalho representa um primeiro passo para uma caracterização completa deste espaço curvo – um objetivo fundamental no campo da geometria quântica, acrescenta Di Sante. “Esta é uma propriedade dos materiais quânticos que começamos a explorar apenas recentemente e já sabemos que a geometria quântica também está intimamente ligada à supercondutividade e a outros fenômenos fascinantes”, diz ele. “Esperamos que o protocolo que introduzimos aqui ajude a lançar luz sobre a física dos materiais quânticos.”