物理学家测量电子的“拓扑自旋” – 物理世界

一个国际物理学家团队首次成功测量了电子的拓扑自旋缠绕特性。 研究小组通过研究所谓的戈薇金属中的电子行为获得了这一结果，戈薇金属是具有与其物理形状或拓扑相关的独特量子特性的材料。 这项工作可以增进我们对超导体和其他包含强相关电子的系统的物理学的理解。

Kagome 金属以日本传统的篮子编织技术命名，该技术产生具有共享角的交错、对称三角形的网格。 当金属或其他导体的原子以这种戈薇图案排列时，它们的电子会以不寻常的方式表现。 例如，电子的波函数可以破坏性地干扰，导致高度局域化的电子态，其中粒子彼此强烈相互作用。 这些强相互作用导致了一系列量子现象，包括不成对电子自旋的磁排序，其可以产生铁磁或反铁磁相、超导结构、量子自旋液体和异常拓扑相等。 所有这些阶段都在先进的纳米电子学和自旋电子学技术中得到应用。

在这项新工作中，研究人员由 多梅尼科·迪桑特 的 意大利博洛尼亚大学 研究了XV的自旋和电子结构₆Sn₆，其中 X 是稀土元素。 这些最近发现的戈薇金属包含狄拉克电子能带和近乎平坦的电子能带。 在这些能带相遇的点上，一种称为自旋轨道耦合的效应会在能带之间产生狭窄的间隙。 这种自旋轨道耦合还在材料表面产生特殊类型的电子基态。

 为了研究这种基态的性质，迪桑特和同事使用了一种称为自旋的技术 角分辨光电子能谱（自旋 ARPES）。 在这项技术中，粒子加速器或同步加速器产生的高能光子从不同方向撞击材料，使其吸收光并发射电子。 可以测量这些发射电子的能量、动量和自旋，并将数据用于绘制材料的电子能带结构。

极化表面电子态

通过将这些测量结果与先进的密度泛函理论 (DFT) 计算相结合，研究人员证实 TbV 中的 kagome 几何结构₆Sn₆ 确实在狄拉克能带和近乎平坦的能带之间产生了差距。 这样的间隙对于所有显示自旋轨道耦合的戈薇晶格来说都是常见的，但是尽管物理学家多年来一直知道该间隙的存在，但之前没有人测量过一种称为拓扑量子自旋曲率的特性，该特性是由该间隙产生的，并且与电子所在的弯曲空间。

“就像我们宇宙的时空被物质、恒星、星系和黑洞弯曲一样，电子移动的空间也可以被弯曲，”迪桑特解释道。 “我们在戈薇金属中检测到了这种曲率。”

环流出现在kagome超晶格中

迪桑特补充道，这项新工作代表了全面表征这一弯曲空间的第一步——这是量子几何领域的一个关键目标。 “这是我们最近才开始探索的量子材料的一个特性，我们已经知道量子几何也与超导和其他令人着迷的现象密切相关，”他说。 “我们希望我们在这里引入的协议将有助于阐明量子材料的物理学。”