นักฟิสิกส์วัด 'การหมุนทอพอโลยี' ของอิเล็กตรอน – Physics World

ทีมนักฟิสิกส์ระดับนานาชาติประสบความสำเร็จในการวัดคุณสมบัติของอิเล็กตรอนที่เรียกว่าการหมุนวนของทอพอโลยีเป็นครั้งแรก ทีมงานได้ผลลัพธ์นี้โดยการศึกษาพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในโลหะที่เรียกว่าคาโงเมะ ซึ่งเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติควอนตัมเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับรูปร่างทางกายภาพหรือโทโพโลยีของพวกมัน งานนี้สามารถเพิ่มความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ของตัวนำยิ่งยวดและระบบอื่น ๆ ที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีความสัมพันธ์กันอย่างมาก

โลหะคาโงเมะตั้งชื่อตามเทคนิคการทอตะกร้าแบบดั้งเดิมของญี่ปุ่น ซึ่งก่อให้เกิดโครงตาข่ายสามเหลี่ยมสมมาตรที่ซ้อนกันและมีมุมร่วมกัน เมื่ออะตอมของโลหะหรือตัวนำอื่นๆ ถูกจัดเรียงในรูปแบบคาโงเมะนี้ อิเล็กตรอนของพวกมันจะมีพฤติกรรมผิดปกติ ตัวอย่างเช่น ฟังก์ชั่นคลื่นของอิเล็กตรอนสามารถรบกวนแบบทำลายล้างได้ ส่งผลให้เกิดสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่มีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นอย่างมาก ซึ่งอนุภาคมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรง ปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงเหล่านี้นำไปสู่ปรากฏการณ์ควอนตัมหลายอย่าง รวมถึงการเรียงลำดับแม่เหล็กของการหมุนของอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่ที่สามารถผลิตได้ เช่น เฟสเฟอร์โรหรือแอนตีเฟอโรแมกเนติก โครงสร้างตัวนำยิ่งยวด ของเหลวควอนตัมสปิน และเฟสทอพอโลยีที่ผิดปกติ ขั้นตอนทั้งหมดนี้มีการใช้งานในเทคโนโลยีนาโนอิเล็กทรอนิกส์และสปินทรอนิกส์ขั้นสูง

ในงานใหม่นี้ นักวิจัยนำโดย โดเมนิโก ดิ ซานเต ของ มหาวิทยาลัยโบโลญญาในอิตาลี ศึกษาการหมุนและโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของ XV₆Sn₆โดยที่ X เป็นธาตุหายาก โลหะคาโงเมะที่เพิ่งค้นพบเหล่านี้ประกอบด้วยสายอิเล็กทรอนิกส์ Dirac และสายอิเล็กทรอนิกส์ที่เกือบแบน ณ จุดที่แถบเหล่านี้มาบรรจบกัน เอฟเฟกต์ที่เรียกว่าการมีเพศสัมพันธ์แบบหมุน-วงโคจรจะสร้างช่องว่างแคบๆ ระหว่างแถบทั้งสอง การมีเพศสัมพันธ์แบบหมุน-วงโคจรนี้ยังสร้างสถานะกราวด์อิเล็กทรอนิกส์แบบพิเศษที่พื้นผิวของวัสดุ

 เพื่อตรวจสอบธรรมชาติของสถานะพื้นนี้ Di Sante และเพื่อนร่วมงานได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่าสปิน สเปกโทรสโกปีการปล่อยแสงแบบแก้ไขมุม (spin ARPES) ในเทคนิคนี้ โฟตอนที่พลังงานสูงที่สร้างขึ้นโดยเครื่องเร่งอนุภาคหรือซินโครตรอน จะกระแทกวัสดุจากทิศทางที่ต่างกัน ทำให้มันดูดซับแสงและปล่อยอิเล็กตรอนออกมา สามารถวัดพลังงาน โมเมนตา และการหมุนของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเหล่านี้ได้ และข้อมูลที่ใช้ในการแมปโครงสร้างแถบอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ

สถานะอิเล็กทรอนิกส์ของพื้นผิวโพลาไรซ์

ด้วยการรวมการวัดเหล่านี้เข้ากับการคำนวณทฤษฎีความหนาแน่นขั้นสูง (DFT) นักวิจัยยืนยันว่าเรขาคณิตคาโกเมะใน TbV₆Sn₆ ทำให้เกิดช่องว่างระหว่างแถบ Dirac และแถบที่เกือบจะแบนอย่างแน่นอน ช่องว่างดังกล่าวเป็นเรื่องปกติสำหรับโครงข่ายคาโงเมะทั้งหมดที่แสดงการเชื่อมต่อของวงโคจรหมุน แต่ในขณะที่นักฟิสิกส์ทราบเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของช่องว่างดังกล่าวมานานหลายปี ไม่มีใครเคยวัดคุณสมบัติที่เรียกว่าความโค้งของการหมุนควอนตัมทอพอโลยีซึ่งเป็นผลมาจากช่องว่างและเกี่ยวข้องกับ พื้นที่โค้งซึ่งมีอิเล็กตรอนอาศัยอยู่

"ในลักษณะเดียวกับที่อวกาศ-เวลาในจักรวาลของเราโค้งงอตามสสาร ดวงดาว กาแล็กซี และหลุมดำ พื้นที่ที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ก็สามารถโค้งงอได้เช่นกัน” Di Sante อธิบาย "เราได้ตรวจพบความโค้งนี้ในโลหะคาโกเมะ"

กระแสน้ำวนปรากฏขึ้นในคาโงเมะ superlattice

งานใหม่นี้เป็นก้าวแรกสู่การกำหนดลักษณะเฉพาะของพื้นที่โค้งนี้อย่างละเอียด ซึ่งเป็นเป้าหมายสำคัญในด้านเรขาคณิตควอนตัม Di Sante กล่าวเสริม “นี่เป็นคุณสมบัติของวัสดุควอนตัมที่เราเพิ่งเริ่มสำรวจเมื่อไม่นานมานี้ และเรารู้แล้วว่าเรขาคณิตควอนตัมยังเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับตัวนำยิ่งยวดและปรากฏการณ์ที่น่าสนใจอื่นๆ” เขากล่าว "เราหวังว่าโปรโตคอลที่เรานำเสนอในที่นี้จะช่วยให้เกิดความกระจ่างเกี่ยวกับฟิสิกส์ของวัสดุควอนตัม"