Фізики вимірюють «топологічний спін» електрона – Physics World

Міжнародній групі фізиків вдалося вперше виміряти властивість електрона, відому як топологічна намотування спіну. Команда отримала цей результат, вивчаючи поведінку електронів у так званих кагоме-металях, які є матеріалами, які мають унікальні квантові властивості, пов’язані з їх фізичною формою або топологією. Ця робота може покращити наше розуміння фізики надпровідників та інших систем, які містять сильно корельовані електрони.

Метали Kagome названі на честь традиційної японської техніки плетіння кошиків, яка створює решітку з переплетених симетричних трикутників зі спільними кутами. Коли атоми металу чи іншого провідника розташовані за цією схемою кагоме, їхні електрони поводяться незвичним чином. Наприклад, хвильові функції електронів можуть руйнівно втручатися, приводячи до дуже локалізованих електронних станів, у яких частинки сильно взаємодіють одна з одною. Ці сильні взаємодії призводять до ряду квантових явищ, включаючи магнітне впорядкування спінів неспарених електронів, які можуть утворювати, наприклад, феро- або антиферомагнітні фази, надпровідні структури, квантові спінові рідини та аномальні топологічні фази. Усі ці фази мають застосування в передових технологіях наноелектроніки та спінтроніки.

У новій роботі дослідники під керівництвом Доменіко Ді Санте в Болонський університет в Італії вивчав спінову та електронну структуру XV₆Sn₆, де X – рідкоземельний елемент. Ці нещодавно відкриті метали кагоме містять електронну смугу Дірака та майже плоску електронну смугу. У точці, де ці смуги зустрічаються, ефект, званий спін-орбітальним зв’язком, створює вузький проміжок між смугами. Цей спін-орбітальний зв’язок також створює особливий тип основного електронного стану на поверхні матеріалу.

 Щоб дослідити природу цього основного стану, Ді Санте та його колеги використали техніку, відому як спін фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням (спіновий ARPES). У цій техніці високоенергетичні фотони, що генеруються прискорювачем частинок або синхротроном, вражають матеріал з різних напрямків, змушуючи його поглинати світло та випускати електрони. Енергію, імпульси та спін цих випромінюваних електронів можна виміряти, а дані використовувати для відображення електронної зонної структури матеріалу.

Поляризовані поверхневі електронні стани

Поєднавши ці вимірювання з розширеною теорією функціоналу щільності (DFT), дослідники підтвердили, що геометрія кагоме в TbV₆Sn₆ справді створює розрив між смугою Дірака та майже плоскою смугою. Така щілина є спільною для всіх ґраток кагоме, які показують спін-орбітальний зв’язок, але хоча фізики знали про існування щілини протягом багатьох років, ніхто раніше не вимірював властивість, яка називається топологічна квантова спінова кривизна, яка є результатом щілини та пов’язана з викривлений простір, в якому знаходяться електрони.

"Подібно до того, як простір-час нашого Всесвіту викривлений матерією, зірками, галактиками та чорними дірами, простір, у якому рухаються електрони, також може бути викривленим», – пояснює Ді Санте. «Ми виявили цю кривизну в металах кагоме».

У надрешітці кагоме виникають петлеві струми

Нова робота є першим кроком до детальної характеристики цього викривленого простору – ключової мети в галузі квантової геометрії, додає Ді Санте. «Це властивість квантових матеріалів, яку ми почали досліджувати лише нещодавно, і ми вже знаємо, що квантова геометрія також тісно пов’язана з надпровідністю та іншими захоплюючими явищами», — каже він. «Ми сподіваємося, що представлений нами протокол допоможе пролити світло на фізику квантових матеріалів».