12 июн 2023 662

Квантовые материалы: впервые измерен спин электрона

Международная исследовательская группа впервые преуспела в измерении спина электрона в материи, то есть искривления пространства, в котором живут и движутся электроны, в «материалах кагомэ», новом классе квантовых материалов.

Полученные результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, могут произвести революцию в способах изучения квантовых материалов в будущем, открыв дверь для новых разработок в области квантовых технологий с возможным применением в различных технологических областях, от возобновляемых источников энергии до биомедицины, и разработки квантовых компьютеров.

Успех был достигнут благодаря международному сотрудничеству ученых, в котором Доменико Ди Санте, профессор кафедры физики и астрономии «Аугусто Риги», участвовал от Болонского университета в рамках своего исследовательского проекта Марии Кюри BITMAP. К нему присоединились коллеги из CNR-IOM Trieste, Венецианского университета Ка Фоскари, Миланского университета, Вюрцбургского университета (Германия), Университета Сент-Эндрюс (Великобритания), Бостонского колледжа и Университета Санта-Барбары (США).

Благодаря передовым экспериментальным методам, используя свет, генерируемый ускорителем частиц, синхротроном, и благодаря современным методам моделирования поведения материи, ученые смогли впервые измерить вращение электрона, связанное с концепцией топологии.

Если мы возьмем два объекта, таких как футбольный мяч и пончик, мы заметим, что их конкретные формы определяют разные топологические свойства, например, потому что у пончика есть дырка, а у футбольного мяча — нет.

Аналогичным образом на поведение электронов в материалах влияют определенные квантовые свойства, определяющие их вращение в материи, в которой они находятся, подобно тому, как траектория света во Вселенной модифицируется присутствием звезд, черных дыр, темных материя и темная энергия, искривляющая время и пространство

— Доменико Ди Санте.

Хотя эта характеристика электронов известна уже много лет, до сих пор никому не удавалось непосредственно измерить этот «топологический спин». Чтобы добиться этого, исследователи использовали особый эффект, известный как «круговой дихроизм»: особая экспериментальная техника, применимая только по отношению к синхротронным источникам, которая использует способность материалов поглощать свет по-разному в зависимости от их поляризации.

На изображении ниже представлены три перспективы поверхности, по которой движутся электроны. Слева результат эксперимента, в центре и справа теоретическое моделирование. Красный и синий цвета представляют собой меру скорости электронов. И теория, и эксперимент отражают симметрию кристалла.

В исследовании ученые особенно сосредоточились на «материалах кагомэ», классе квантовых материалов, обязаным своим названием их сходству с плетением переплетенных бамбуковых нитей, из которых состоит традиционная японская корзина (которая действительно называется «кагомэ»). Эти материалы произвели революцию в квантовой физике, и полученные результаты могут помочь нам узнать больше об их особых магнитных, топологических и сверхпроводящих свойствах.

Несомненно важные результаты, полученные во время исследования, стали возможными благодаря усиленной синергии между экспериментальной практикой и теоретическим анализом. Исследователи-теоретики группы использовали сложное квантовое моделирование, возможное только с использованием мощных суперкомпьютеров, и таким образом направляли своих коллег-экспериментаторов к конкретной области материала, где можно было измерить эффект кругового дихроизма

— Доменико Ди Санте.

Что такое материалы кагомэ?

В квантовых материалах такого типа решетка состоит из угловых треугольников и обладает особыми электронными свойствами, такими как дираковские фермионы, плоские зоны и сингулярности ван Хова. Дираковские фермионы кодируют топологию, плоские зоны способствуют коррелированным явлениям, таким как магнетизм, а сингулярности ван Хова могут приводить к неустойчивостям к дальнодействующим многочастичным порядкам. Все это позволяет реализовывать и открывать целый ряд топологических кагоме-магнетиков и сверхпроводников с экзотическими свойствами.

Одним из первых примеров кагоме-металла является соединение Fe3Sn2, которое было создано несколько десятилетий назад, но получило этот термин только в 2011 году. Этот материал является ферромагнитным и обладает хиральной аномальной холловской проводимостью. Еще одной группой кагоме-материалов являются соединения KV3Sb5, CsV3Sb5 и RbV3Sb5, которые содержат кагоме-сетку из атомов ванадия. Эти материалы недавно продемонстрировали сверхпроводимость при низкой температуре и необычный зарядовый порядок при высокой температуре, раскрывая связь с лежащей в основе топологической природой зонной структуры.

Исследование кагоме-материалов раскрывает богатство возникающих явлений, обусловленных квантовыми взаимодействиями между геометрией, топологией, спином и корреляцией. Именно при их исследовании были обнаружены хиральный и вейлевский топологический магнетизм, различные плоскозонные многочастичные корреляции, а также загадки необычных зарядовых плотностных волн и сверхпроводимости. Эти разработки широко связывают топологическую квантовую физику и коррелированную многочастичную физику в широком спектре объемных материалов и существенно продвигают границы топологического квантового вещества.