Квантовые материалы: спин электрона измерен впервые

Jan 28, 2024

9 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Университетом Болоньи

Международная исследовательская группа впервые преуспела в измерении спина электрона в материи – то есть кривизны пространства, в котором живут и движутся электроны – с помощью «материалов кагоме», нового класса квантовых материалов.

Полученные результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, могут произвести революцию в способах изучения квантовых материалов в будущем, открыв дверь новым разработкам в области квантовых технологий с возможным применением в различных технологических областях: от возобновляемых источников энергии до биомедицины, от электроники до квантовые компьютеры.

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

Благодаря передовым экспериментальным методам, использованию света, генерируемого ускорителем частиц, синхротроном, и современным методам моделирования поведения материи, ученые впервые смогли измерить спин электрона, что связано с концепцией топологии.

«Если мы возьмем два объекта, такие как футбольный мяч и пончик, мы заметим, что их конкретная форма определяет разные топологические свойства, например, потому, что у пончика есть дырка, а у футбольного мяча нет», — объясняет Доменико Ди Санте. «Аналогично, 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 из-за присутствия звезд, черных дыр, темных материя и темная энергия, которые искривляют время и пространство».

Хотя эта характеристика электронов известна уже много лет, до сих пор никому не удавалось измерить этот «топологический спин» напрямую. Чтобы добиться этого, исследователи использовали особый эффект, известный как «круговой дихроизм»: специальную экспериментальную технику, которую можно использовать только с синхротронным источником, которая использует способность материалов поглощать свет по-разному в зависимости от их поляризации.

Ученые особенно сосредоточились на «материалах кагоме», классе квантовых материалов, которые получили свое название из-за своего сходства с переплетением переплетенных бамбуковых нитей, из которых состоит традиционная японская корзина (называемая действительно «кагоме»). Эти материалы совершают революцию в квантовой физике, и полученные результаты могут помочь нам узнать больше об их особых магнитных, топологических и сверхпроводящих свойствах.

«Эти важные результаты стали возможны благодаря тесному взаимодействию экспериментальной практики и теоретического анализа», — добавляет Ди Санте. «Исследователи-теоретики команды 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».

Больше информации: Доменико Ди Санте и др., Плоское разделение зон и устойчивая спиновая кривизна Берри в двухслойных металлах кагоме, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z