量子材料首次测量电子自旋

一个国际研究小组首次成功地测量了物质中的电子自旋——即电子在其中生存和移动的空间曲率——在一种新型量子材料“kagome材料”中。

获得的结果——发表在《自然物理学》上——可能会彻底改变未来研究量子材料的方式，为量子技术的新发展打开大门，并可能应用于各种技术领域，从可再生能源到生物医学，从电子到量子计算机。

科学家的国际合作取得了成功，物理和天文学系“AugustoRighi”教授DomenicoDiSante参与了博洛尼亚大学的居里夫人BITMAP研究项目。CNR-IOMTrieste、Ca'Foscari威尼斯大学、米兰大学、维尔茨堡大学(德国)、圣安德鲁斯大学(英国)、波士顿学院和圣巴巴拉大学(美国)的同事也加入了他的行列。

通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，并借助现代技术对物质行为进行建模，学者们首次能够测量与拓扑概念相关的电子自旋。

“如果我们拿两个物体，比如足球和甜甜圈，我们会注意到它们的特定形状决定了不同的拓扑特性，例如因为甜甜圈有洞，而足球没有，”DomenicoDiSante解释道。“类似地，电子在材料中的行为受到某些量子特性的影响，这些量子特性决定了它们在其中发现的物质中的旋转，类似于宇宙中光的轨迹如何被恒星、黑洞、黑暗的存在所改变物质和暗能量，它们可以弯曲时间和空间。”

尽管电子的这一特性已经为人所知多年，但直到现在还没有人能够直接测量这种“拓扑自旋”。为实现这一目标，研究人员利用了一种称为“圆二色性”的特殊效应：一种只能与同步加速器源一起使用的特殊实验技术，它利用材料根据其偏振吸收不同光的能力。

学者们特别关注“kagome材料”，这是一类量子材料，因其与构成日本传统篮子(实际上称为“kagome”)的交织竹丝编织相似而得名。这些材料正在彻底改变量子物理学，所获得的结果可以帮助我们更多地了解它们特殊的磁性、拓扑和超导特性。

“由于实验实践和理论分析之间的强大协同作用，这些重要结果成为可能，”DiSante补充道。“该团队的理论研究人员采用了复杂的量子模拟，只有使用强大的超级计算机才有可能，并以这种方式将他们的实验同事引导到可以测量圆二色性效应的材料的特定区域。”