Fysiker mäter elektronens "topologiska spinn" – Physics World

Ett internationellt team av fysiker har för första gången lyckats mäta en egenskap hos elektronen som kallas topologisk spinnlindning. Teamet fick detta resultat genom att studera elektronernas beteende i så kallade kagomemetaller, som är material som har unika kvantegenskaper relaterade till deras fysiska form eller topologi. Arbetet skulle kunna främja vår förståelse av fysiken hos supraledare och andra system som innehåller starkt korrelerade elektroner.

Kagome-metaller är uppkallade efter en traditionell japansk korgvävningsteknik som producerar ett galler av sammanflätade, symmetriska trianglar med delade hörn. När atomerna i en metall eller annan ledare är ordnade i detta kagomemönster, beter sig deras elektroner på ovanliga sätt. Till exempel kan elektronernas vågfunktioner störa destruktivt, vilket resulterar i starkt lokaliserade elektroniska tillstånd där partiklarna interagerar starkt med varandra. Dessa starka interaktioner leder till en rad kvantfenomen, inklusive magnetisk ordning av oparade elektronspin som kan producera till exempel ferro- eller antiferromagnetiska faser, supraledande strukturer, kvantspinnvätskor och onormala topologiska faser. Alla dessa faser har tillämpningar inom avancerad nanoelektronik och spintronikteknologi.

I det nya arbetet har forskare under ledning av Domenico Di Sante av Universitetet i Bologna i Italien studerade spinn och elektronisk struktur hos XV₆Sn₆, där X är ett sällsynt jordartsmetall. Dessa nyligen upptäckta kagome-metaller innehåller ett Dirac elektroniskt band och ett nästan platt elektroniskt band. Vid den punkt där dessa band möts skapar en effekt som kallas spin-orbit-koppling ett smalt gap mellan banden. Denna spin-omloppskoppling skapar också en speciell typ av elektroniskt jordtillstånd vid materialets yta.

 För att undersöka arten av detta grundtillstånd använde Di Sante och kollegor en teknik som kallas spinn vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (spin ARPES). I denna teknik slår högenergifotoner som genereras av en partikelaccelerator, eller synkrotron, materialet från olika riktningar, vilket får det att absorbera ljus och avge elektroner. Energin, momentan och spinn för dessa emitterade elektroner kan mätas, och data kan användas för att kartlägga materialets elektroniska bandstruktur.

Polariserade ytelektroniska tillstånd

Genom att kombinera dessa mätningar med avancerad densitet funktionell teori (DFT) beräkningar, bekräftade forskarna att kagome geometrin i TbV₆Sn₆ ger verkligen upphov till ett gap mellan Dirac-bandet och det nästan platta bandet. Ett sådant gap är gemensamt för alla kagomegitter som visar spinn-omloppskoppling, men medan fysiker hade känt till gapets existens i flera år, hade ingen tidigare mätt en egenskap som kallas topologisk kvantspinnkrökning som är resultatet av gapet och är relaterad till krökt utrymme där elektroner finns.

"På samma sätt som vårt universums rumtid kröks av materia, stjärnor, galaxer och svarta hål, kan rymden där elektronerna rör sig också krökas”, förklarar Di Sante. "Vi har upptäckt denna krökning i kagomemetaller."

Loopy strömmar uppträder i ett kagome supergitter

Det nya verket representerar ett första steg mot en grundlig karakterisering av detta krökta utrymme – ett nyckelmål inom kvantgeometrin, tillägger Di Sante. "Detta är en egenskap hos kvantmaterial som vi nyligen har börjat utforska och vi vet redan att kvantgeometri också är intimt kopplat till supraledning och andra fascinerande fenomen", säger han. "Vi hoppas att protokollet vi har infört här kommer att bidra till att belysa kvantmaterialens fysik."