В Болонском университете впервые измерен спин электрона

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

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, очень похожую на текстуру традиционных японских корзин «кагомэ». Предоставлено: Болонский университет

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

Успех был достигнут благодаря международному сотрудничеству ученых, в котором Доменико Ди Санте, профессор кафедры физики и астрономии «Аугусто Риги», участвовал для 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), Сент-Эндрюсского университета (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 впервые смогли измерить спин электрона, связанный 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 отверстие, а у футбольного мяча его нет», — объясняет Доменико Ди Санте. «Точно так же на поведение электронов в материалах влияют определенные квантовые свойства, которые определяют их вращение в материи, в которой они находятся, подобно тому, как траектория света во Вселенной изменяется присутствием звезд, черных дыр, темной материи и темной энергии, которые искривляют время и пространство».

Хотя эта характеристика электронов была известна в течение многих лет, до сих пор никто не мог измерить этот «топологический спин» напрямую. Чтобы достичь этого, исследователи использовали особый эффект, известный как «круговой дихроизм»: специальный экспериментальный метод, который можно использовать только с синхротронным источником, который использует способность материалов поглощать свет по-разному в зависимости от их поляризации.

Ученые особенно сосредоточились на «материалах кагомэ», классе квантовых материалов, которые обязаны своим названием сходству с плетением переплетенных бамбуковых нитей, составляющих традиционную японскую корзину (называемую, действительно, «кагомэ»). Эти материалы революционизируют квантовую физику, и полученные результаты могут помочь нам узнать больше об их особых магнитных, топологических и сверхпроводящих свойствах.

Оригинал статьи: Domenico Di Sante et al, Flat band separation and robust spin Berry curvature in bilayer kagome metals, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z 🔗