Các nhà vật lý đo 'spin tôpô' của electron

Một nhóm các nhà vật lý quốc tế lần đầu tiên đã thành công trong việc đo một tính chất của electron gọi là cuộn dây spin tôpô. Nhóm nghiên cứu thu được kết quả này bằng cách nghiên cứu hành vi của các electron trong cái gọi là kim loại kagome, là những vật liệu có đặc tính lượng tử độc nhất liên quan đến hình dạng vật lý hoặc cấu trúc liên kết của chúng. Công trình này có thể nâng cao hiểu biết của chúng ta về tính chất vật lý của chất siêu dẫn và các hệ khác chứa các electron tương quan mạnh.

Kim loại Kagome được đặt tên theo kỹ thuật đan giỏ truyền thống của Nhật Bản, tạo ra một mạng lưới gồm các hình tam giác đối xứng, đan xen với các góc chung. Khi các nguyên tử của kim loại hoặc chất dẫn điện khác được sắp xếp theo mô hình kagome này, các electron của chúng hoạt động theo những cách khác thường. Ví dụ, hàm sóng của các electron có thể giao thoa triệt tiêu, tạo ra các trạng thái điện tử có tính định xứ cao trong đó các hạt tương tác mạnh với nhau. Những tương tác mạnh này dẫn đến một loạt hiện tượng lượng tử, bao gồm trật tự từ tính của các spin electron chưa ghép cặp có thể tạo ra, ví dụ, các pha sắt hoặc phản sắt từ, cấu trúc siêu dẫn, chất lỏng spin lượng tử và các pha tôpô bất thường. Tất cả các giai đoạn này đều có ứng dụng trong công nghệ điện tử học nano và điện tử học spin tiên tiến.

Trong công trình mới, các nhà nghiên cứu do Domenico Di Sante của Đại học Bologna ở Ý nghiên cứu cấu trúc spin và điện tử của XV₆Sn₆, trong đó X là nguyên tố đất hiếm. Những kim loại kagome được phát hiện gần đây này chứa một dải điện tử Dirac và một dải điện tử gần như phẳng. Tại thời điểm các dải này gặp nhau, một hiệu ứng gọi là khớp nối quỹ đạo quay tạo ra một khoảng cách hẹp giữa các dải. Sự ghép nối quỹ đạo quay này cũng tạo ra loại trạng thái điện tử cơ bản đặc biệt trên bề mặt vật liệu.

 Để nghiên cứu bản chất của trạng thái cơ bản này, Di Sante và các đồng nghiệp đã sử dụng một kỹ thuật gọi là spin quang phổ quang phát xạ phân giải góc (Spin ARPES). Trong kỹ thuật này, các photon năng lượng cao được tạo ra bởi máy gia tốc hạt hoặc synchrotron, tấn công vật liệu từ các hướng khác nhau, khiến nó hấp thụ ánh sáng và phát ra electron. Năng lượng, động lượng và spin của các electron phát ra này có thể đo được và dữ liệu được sử dụng để lập bản đồ cấu trúc dải điện tử của vật liệu.

Trạng thái điện tử bề mặt phân cực

Bằng cách kết hợp các phép đo này với các phép tính lý thuyết hàm mật độ nâng cao (DFT), các nhà nghiên cứu đã xác nhận rằng hình học kagome trong TbV₆Sn₆ thực sự làm phát sinh khoảng cách giữa dải Dirac và dải gần như phẳng. Khoảng trống như vậy là chung cho tất cả các mạng kagome thể hiện sự liên kết quỹ đạo quay, nhưng trong khi các nhà vật lý đã biết về sự tồn tại của khoảng trống trong nhiều năm, thì trước đó chưa có ai đo được một tính chất gọi là độ cong spin lượng tử tôpô sinh ra từ khe hở và có liên quan đến không gian cong trong đó các electron cư trú.

"Giống như cách không-thời gian trong vũ trụ của chúng ta bị uốn cong bởi vật chất, các ngôi sao, thiên hà và lỗ đen, không gian trong đó các electron chuyển động cũng có thể bị uốn cong,” Di Sante giải thích. “Chúng tôi đã phát hiện ra độ cong này ở kim loại kagome.”

Dòng điện lặp lại xuất hiện trong một siêu mạng kagome

Di Sante cho biết thêm, công trình mới thể hiện bước đầu tiên hướng tới mô tả đặc tính kỹ lưỡng của không gian cong này – mục tiêu then chốt trong lĩnh vực hình học lượng tử. “Đây là một đặc tính của vật liệu lượng tử mà chúng tôi mới bắt đầu khám phá gần đây và chúng tôi đã biết rằng hình học lượng tử cũng có mối liên hệ mật thiết với tính siêu dẫn và các hiện tượng hấp dẫn khác,” ông nói. “Chúng tôi hy vọng rằng giao thức mà chúng tôi giới thiệu ở đây sẽ giúp làm sáng tỏ tính chất vật lý của vật liệu lượng tử.”