Fizikçiler elektronun 'topolojik dönüşünü' ölçüyor - Fizik Dünyası

Uluslararası bir fizikçi ekibi, elektronun topolojik spin sarımı olarak bilinen bir özelliğini ilk kez ölçmeyi başardı. Ekip bu sonucu, fiziksel şekilleri veya topolojileriyle ilgili benzersiz kuantum özelliklerine sahip malzemeler olan kagome metalleri olarak adlandırılan elektronların davranışını inceleyerek elde etti. Bu çalışma, süperiletkenlerin ve birbiriyle güçlü bir şekilde ilişkili elektronlar içeren diğer sistemlerin fiziğine ilişkin anlayışımızı geliştirebilir.

Kagome metalleri, ortak köşelere sahip iç içe geçmiş, simetrik üçgenlerden oluşan bir kafes üreten geleneksel Japon sepet dokuma tekniğinden adını almıştır. Bir metalin veya başka bir iletkenin atomları bu kagome düzeninde düzenlendiğinde, elektronları olağandışı şekillerde davranır. Örneğin, elektronların dalga fonksiyonları yıkıcı bir şekilde müdahale edebilir ve bu da parçacıkların birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girdiği yüksek düzeyde lokalize elektronik durumlara neden olabilir. Bu güçlü etkileşimler, örneğin ferro- veya antiferromanyetik fazlar, süper iletken yapılar, kuantum spin sıvıları ve anormal topolojik fazlar üretebilen eşleşmemiş elektron spinlerinin manyetik düzeni de dahil olmak üzere bir dizi kuantum fenomenine yol açar. Tüm bu aşamaların ileri nanoelektronik ve spintronik teknolojilerinde uygulamaları vardır.

Yeni çalışmada, liderliğindeki araştırmacılar Domenico Di Sante arasında İtalya'daki Bologna Üniversitesi XV'in spinini ve elektronik yapısını inceledi₆Sn₆burada X nadir toprak elementidir. Yakın zamanda keşfedilen bu kagome metalleri, bir Dirac elektronik bandı ve neredeyse düz bir elektronik bant içerir. Bu bantların buluştuğu noktada spin-yörünge eşleşmesi adı verilen bir etki, bantlar arasında dar bir boşluk oluşturur. Bu dönme-yörünge bağlantısı aynı zamanda malzemenin yüzeyinde özel tipte bir elektronik taban durumu yaratır.

 Bu temel durumun doğasını araştırmak için Di Sante ve meslektaşları spin olarak bilinen bir teknik kullandılar. açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi (spin ARPES). Bu teknikte, parçacık hızlandırıcı veya senkrotron tarafından üretilen yüksek enerjili fotonlar malzemeye farklı yönlerden çarparak ışığı emmesine ve elektron yaymasına neden olur. Yayılan bu elektronların enerjisi, momentumu ve dönüşü ölçülebilir ve veriler, malzemenin elektronik bant yapısının haritasını çıkarmak için kullanılabilir.

Polarize yüzey elektronik durumları

Bu ölçümleri gelişmiş yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamalarıyla birleştiren araştırmacılar, TbV'deki kagome geometrisinin doğrulandığını doğruladı.₆Sn₆ gerçekten de Dirac bandı ile neredeyse düz bant arasında bir boşluğa yol açıyor. Böyle bir boşluk, spin-yörünge eşleşmesini gösteren tüm kagome kafeslerinde ortaktır, ancak fizikçiler boşluğun varlığından yıllardır haberdarken, daha önce hiç kimse boşluktan kaynaklanan ve topolojik kuantum spin eğriliği adı verilen bir özelliği ölçmemişti. Elektronların bulunduğu kavisli uzay.

"Evrenimizin uzay-zamanının madde, yıldızlar, galaksiler ve kara delikler tarafından kavisli olması gibi, elektronların hareket ettiği uzay da kavisli olabilir," diye açıklıyor Di Sante. "Bu eğriliği kagome metallerinde tespit ettik."

Kagome süper örgüsünde döngüsel akımlar görünüyor

Di Sante, yeni çalışmanın, kuantum geometrisi alanında önemli bir hedef olan bu kavisli uzayın kapsamlı bir karakterizasyonuna yönelik ilk adımı temsil ettiğini ekliyor. "Bu, kuantum malzemelerinin yakın zamanda keşfetmeye başladığımız bir özelliğidir ve kuantum geometrisinin süperiletkenlik ve diğer büyüleyici fenomenlerle de yakından bağlantılı olduğunu zaten biliyoruz" diyor. "Burada tanıttığımız protokolün kuantum materyallerin fiziğine ışık tutmaya yardımcı olacağını umuyoruz."