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

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», — объясняет Доменико Ди Санте. «Аналогичным образом на поведение электронов в материалах влияют определенные квантовые свойства, которые определяют их вращение в материи, где они находятся, подобно тому, как траектория света во Вселенной изменяется под влиянием звезд, черных дыр, темных материя и темная энергия, искривляющая время и пространство».

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 »: особую экспериментальную технику, которую можно использовать только с синхротронным источником, что 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 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.

«Эти важные результаты стали возможными благодаря сильной синергии между экспериментальной практикой и теоретическим анализом », — добавляет Ди Санте. «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».