[김선제 학생, 양범정 교수] 고체의 양자기하텐서 관측 성공 (Nature Physics 논문 게재)
“Measurement of the quantum geometric tensor in solids”
최근 양자상태의 기하학적 구조를 기술하는 양자 기하 텐서 (Quantum geometric tensor) 가 위상학적 수송현상, 평평띠의 초전도 현상 등 다양한 양자물성의 근원임이 밝혀지고 있다. 본 연구에서는 각 분해 광전자 분광 측정을 (Angle-resolved photoemission spectroscopy) 통해 양자 기하 텐서를 실험적으로 추출해 내는 방법을 최초로 정립하였다. 구체적으로, 광전자 측정 데이터로부터 양자 기하 텐서와 근본적인 연관 관계가 있는 밴드 유효 질량 (band-contributed Drude weight) 과 궤도 각운동량 (orbital angular momentum) 을 운동량 공간에서 추출해내고, 이들을 이용해 양자 기하 텐서를 얻어내는 방법을 규명했다. 이 방법을 이용해 위상학적 평평띠를 가지는 것으로 알려진 ‘코발트 틴(CoSn)’의 양자 기하 텐서를 측정했고, 제1원리 계산을 수행하여 실험으로부터 얻어진 양자 기하 텐서의 값이 제1원리 계산 값과 일치함을 확인했다. 해당 연구 결과는 양자 상태의 특수한 기하 구조를 가지는 새로운 물질에 대한 후속 실험 연구를 촉진할 것으로 기대된다.
Understanding the geometric properties of quantum states and their implications in fundamental physical phenomena is a fundamental aspect of contemporary physics. The quantum geometric tensor is a central physical object in this regard, encoding complete information about the geometry of the quantum state. The imaginary part of the quantum geometric tensor is the Berry curvature, which plays a fundamental role in the topological magnetoelectric and optoelectronic phenomena. The real part is the quantum metric giving rise to a new set of quantum geometric phenomena, such as anomalous Landau levels, flat band superfluidity, and nonlinear Hall effect. Despite the central importance of the quantum geometric tensor, its experimental measurements have been restricted only to artificial two-level systems. Here, we develop a framework to measure the quantum geometric tensor in crystalline solids using polarization-, spin-, and angle-resolved photoemission spectroscopy. Using this framework, we demonstrate the effective reconstruction of the quantum geometric tensor in solids in the kagome metal CoSn, which hosts topological flat bands. Establishing this momentum- and energy-resolved spectroscopic probe of the quantum geometric tensor will advance our understanding of quantum geometric responses in a wide range of crystalline systems.
Authors: Mingu Kang*, Sunje Kim*, Yuting Qian, Paul M. Neves, Linda Ye, Junseo Jung, Denny Puntel, Federico Mazzola, Shiang Fang, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Jun Fuji, Ivana Vobornik, Jae-Hoon Park, Joseph G. Checkelsky, Bohm-Jung Yang† & Riccardo Comin†
(*: First author, †: Corresponding author)
Publication date: 25 November 2024