科学家首次观测到电子自旋

光子盒研究院

电子的自旋（即电子存在和运动的空间曲率）首次被测量——这是对量子技术可能发生的最好的事情。

自旋是基本粒子的一种内在属性，就像电荷一样，它来自于它们的旋转角动量。支持自旋存在的第一个实验证据出现在1922年，这要归功于德国物理学家Otto Stern和Walther Gerlach的实验，尽管科学家们直到几年后才开始了解其性质。

要理解什么是自旋并不容易，因为它是一种量子现象，所以把它描述为空间中的传统旋转运动并不完全正确。尽管如此，在任何情况下，这一属性的量子性质都告诉我们：它很难测量。

事实上，这一性质直到现在还不能准确地进行测量。幸运的是，这堵墙被打破了：由来自意大利、德国、英国和美国几所大学的物理学家组成的研究小组首次成功地测量了它。为实现这一目标，他们使用了同步辐射型粒子加速器(synchrotron-type particle accelerator)——一种在封闭轨迹上加速粒子的机器，和分析物质行为的高度先进技术。

5月18日，研究成果以“Flat band separation and robust spin Berry curvature in bilayer kagome metals”为题，发表在《自然·物理学》期刊上。

所取得的成果可能将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，并有望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。

参与此次合作的国际科学家包括博洛尼亚大学代表Domenico Di Sante、来自的里雅斯特国际理论物理中心、威尼斯东方大学、米兰大学、维尔茨堡大学（德国）、圣安德鲁斯大学（英国）、波士顿学院和加州大学圣芭芭拉分校（美国）的同事。

团队通过先进的实验技术，利用同步辐射型粒子加速器产生的光和现代的物质行为建模技术首次测量了电子自旋。

电子移动的表面的三个视角。左边是实验结果、中间是理论模型、右边是理论模型。红色和蓝色代表了对电子速度的衡量。理论和实验都反映了晶体的对称性，与日本传统的kagome篮子的纹理非常相似。

“如果我们对比两个物体（如足球和甜甜圈），我们会注意到它们的具体形状决定了不同的拓扑特性。因为甜甜圈有一个洞，而足球没有。”Domenico Di Sante解释说：“同样，电子在材料中的行为受到某些量子特性的影响，这些特性决定了它们在其中的物质中的旋转。这类似于光在宇宙中的轨迹是如何被恒星、黑洞、暗物质和暗能量的存在所改变的：它们会弯曲时间和空间。”

尽管电子的这一特性已被了解多年，但直到现在还没有人能够直接测量这种“拓扑自旋”。为了实现这一目标，研究人员利用了被称为“圆二色谱(circular dichroism)”的特殊效应：这是一种只能在同步辐射源中使用的特殊实验技术，它利用了材料根据其偏振而吸收不同光线的能力。

物理学家的策略包括根据材料的偏振来测量材料的光吸收能力：通过分析材料取决于其偏振的光吸收能力，并使用同步加速器来产生我们上面谈到的光线。

拓扑表面状态的自旋纹理。

此次使用的量子材料是kagome材料，这些材料正在彻底改变量子物理学：研究所获得的结果可以帮助我们更多地了解它们特殊的磁性、拓扑学和超导特性。

到目前为止，还不可能直接测量自旋——而这正是这些科学家所取得的成果。不过更重要的是，这一发现可能有什么应用：这个实验给带来的知识可能会使我们对物质性质的理解发生变化，进而用于可再生能源、生物医学或量子计算机等不同学科。

“这些重要的结果是可能的，这要归功于实验实践和理论分析之间的强大协同作用。”Di Sante说：“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能实现，并以这种方式指导他们的实验同事找到了可以测量圆二色效应材料的特定区域。”

参考链接：

[1]https://www.ruetir.com/2023/06/for-the-first-time-the-spin-of-an-electron-has-been-measured-it-is-the-best-thing-that-can-happen-to-quantum-technologies/

[2]https://worldnationnews.com/for-the-first-time-the-spin-of-an-electron-has-been-measured-this-is-the-best-thing-that-could-happen-to-quantum-technologies/

[3]https://phys.org/news/2023-06-quantum-materials-electron.html