Mappatura della curvatura dove risiedono gli elettroni nei materiali Kagome

16 giugno 2023 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

I materiali Kagome sono una classe di materiali quantistici con interessanti proprietà e caratterizzati da una struttura reticolare unica che ricorda le trame di bambù giapponesi del medesimo nome (Kagome). Negli ultimi dieci anni, i fisici hanno utilizzato questi materiali per studiare vari fenomeni elettronici risultanti dalla loro struttura unica.

Ricercatori dell'Università di Bologna, dell'Università di Venezia, del CNR-IOM di Trieste, dell'Università di Würzburg e di altri istituti in Europa e negli Stati Uniti hanno recentemente condotto uno studio sulla struttura spin e elettronica dei materiali XV6Sn6, una famiglia di metalli Kagome parzialmente composta da un elemento delle terre rare. Il loro articolo, pubblicato in Nature Physics, presenta il comportamento degli elettroni che risiedono in uno spazio curvo all'interno dei materiali, noto come curvatura Berry di spin.

'I metalli Kagome appartengono a una classe di nuovi materiali quantistici che stanno rivoluzionando il modo in cui i materiali degli scienziati guardano ai fenomeni collettivi complessi, come il magnetismo e la superconduttività', ha detto Phys.org Domenico Di Sante, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. 'Abbiamo lavorato sui metalli Kagome per diversi anni, e questo articolo è uscito come naturale continuazione dei nostri lavori precedenti. L'obiettivo principale era quello di rilevare la curvatura dello spazio in cui vivono alcuni degli elettroni nei metalli Kagome'.

Di Sante e i suoi colleghi si sono proposti di esplorare la curvatura di Berry di spin nella famiglia Kagome di XV6Sn6 utilizzando metodi teorici e sperimentali. Prima hanno simulato i materiali utilizzando un software di calcolo avanzato, quindi hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di fotoemissione a risoluzione angolare per esaminare campioni del metallo Kagome ScV6Sn6.

'Dal punto di vista teorico abbiamo utilizzato supercomputer moderni e molto potenti per modellare, tramite software sofisticati, il comportamento degli elettroni all'interno dei metalli Kagome', ha detto Di Sante. 'Dal lato sperimentale, abbiamo dovuto utilizzare la luce che può essere generata solo in strutture di grande scala come i sincrotroni per rilevare l'energia e la velocità degli elettroni, contemporaneamente al loro spin'.

Le simulazioni e gli esperimenti condotti dai ricercatori hanno portato a alcune interessanti osservazioni. In particolare, hanno raccolto prove di una curvatura finita di Berry di spin al centro della zona di Brillouin. In questa curvatura, la quasi banda piatta dei materiali è stata trovata a distaccarsi dalla cosiddetta banda di Dirac, a causa di un fenomeno fisico noto come accoppiamento spin-orbita. Quando hanno esaminato un campione di ScV6Sn6, il team ha scoperto che in questo materiale la curvatura di Berry di spin era robusta contro l'insorgere di una fase ordinata guidata da cambiamenti di temperatura.

'La più importante contribuzione del nostro lavoro è l'applicazione di un protocollo ben definito, ovvero l'uso della luce, della dicromia circolare e della risoluzione spin, per mappare lo spazio curvo in cui vivono gli elettroni', ha detto Di Sante. 'In modo simile, lo spazio-tempo del nostro universo è curvo a causa della materia, stelle, galassie, buchi neri, ecc., lo spazio in cui si muovono gli elettroni può essere curvo. Il nostro lavoro ha rilevato una di queste curvature nei metalli Kagome'.

Il recente lavoro di questo team di ricercatori ha fornito nuovi preziosi spunti sulla struttura e la firma spettroscopica dei metalli Kagome nella famiglia XV6Sn6. In futuro, le loro osservazioni potrebbero aprire la strada a nuovi studi valutando le qualità uniche di questi materiali e le loro possibili applicazioni tecnologiche.

'Nei nostri prossimi lavori, intendiamo continuare a investigare questa classe di materiali', ha aggiunto Di Sante. 'Ci sono altre famiglie di metalli Kagome che promettono di arricchire la nostra comprensione di fenomeni collettivi e della loro relazione con il campo della topologia (gli spazi curvi sono intimamente legati al concetto di topologia').

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

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