Underskrift af en-dimensionel elektronisk adfærd registreret i K2Cr3As3 krystaller

Det nyligt opdagede materiale K ₂ Kr ₃ Som ₃ har en struktur, der består af parallelle Cr-As-kæder, hvilket giver mulighed for at studere den eksotiske adfærd, der forudsiges at forekomme, når elektroner effektivt kun er begrænset til at bevæge sig i en enkelt dimension. Dens særegne egenskaber, have en usædvanlig metallisk tilstand før superledelse ved 7 K, har gjort forskere nysgerrige efter, hvordan man bedst beskriver ledningselektronerne i systemet.

I en nylig publikation i Fysisk gennemgangsbreve , forskere ved Diamond Light Source, i samarbejde med partnere på ISIS Neutron &Muon Source samt britiske og internationale universiteter, brugte den vinkelopløste PhotoEmission Spectroscopy (ARPES) beamline (I05) til at udføre de første vellykkede vinkelopløste fotoemissionsspektroskopimålinger af K ₂ Kr ₃ Som ₃ . De opdagede en karakteristisk signatur af en Tomonoga-Luttinger-væske, som er den teoretiske model for elektroner i en endimensionel krystal. Disse målinger bekræfter, at det endimensionale billede er sandt, hvilket gør fremkomsten af ​​superledelse i systemet endnu mere spændende.

Forskellige ideer i en dimension

Fysikere af kondenseret materiale har flere modeller for elektroners adfærd inde i faste stoffer. Ofte er det praktisk at tænke på, at elektroner er tæt knyttet til et bestemt atomsted. I andre tilfælde, de tænker på, at elektroner bliver 'delokaliseret' - elektronerne kan frit hoppe fra sted til sted. I så fald interagerer elektronerne stærkt med ionerne i gitteret og med hinanden, som hurtigt bliver til et meget komplekst kvantemekanikproblem med mange organer. Imidlertid, i feltet er det underforstået, at de stater, der stammer fra dette sammenfiltrede problem, hedder 'quasiparticles', som opfører sig lidt som individuelle elektroner, men kan have en 'effektiv masse', der er forskellig fra en fri elektron. Dette koncept er en byggesten i vores forståelse af metaller og halvledere, og vil være kendt for enhver bachelor fysiker. Men billedet af kvasipartikler, som fungerer så godt til 3-D og 2-D materialer, teoretisk nedbrydes i en dimension.

Faktisk er der en veletableret teoretisk beskrivelse for elektroner i en endimensionel krystal, kendt som 'Tomonoga-Luttinger-væsken'. I dette scenario, man betragter ikke længere bevægelsen af ​​individuelle elektroner, men i stedet bevæger elektronerne sig kollektivt, med bølgelignende bevægelse. "Du kan tænke på det som et skolediskotek i år 6, "sagde dr. Matthew Watson, undersøgelsens hovedforfatter. "Normalt gør alle deres egne ting, lejlighedsvis støder ind i hinanden, men til sidst kommer den tid, hvor alle samles for at skabe en conga -linje, som får sit eget liv. "

Bevis for en Tomonoga-Luttinger flydende tilstand i næsten en-dimensionel K ₂ Kr ₃ Som ₃

Det eksperimentelle spørgsmål er, om noget, der ligner de matematiske resultater for en dimension, kan eksistere i en ægte krystal, og derefter også for at opdage, hvilke fysiske egenskaber der kan komme ud af dette. Det nyligt opdagede materiale K ₂ Kr ₃ Som ₃ giver en ny mulighed for sådanne undersøgelser. Krystallerne i dette materiale er naturligvis tredimensionelle objekter, form som lange nåle-former. Imidlertid, krystallerne består af parallelle kædelignende strukturer bygget fra Cr- og As-atomerne, så der klart er en foretrukken retning i systemet. Fysikere kalder gerne sådanne systemer 'kvasi-en-dimensionel'. Spørgsmålet er; opfører ledningselektronerne sig som om de er i et virkelig endimensionalt system, eller ville systemet trods alt have quasiparticle -tilstande?

Dr Watson og kolleger brugte teknikken til vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi til at undersøge de elektroniske tilstande i K ₂ Kr ₃ Som ₃ . For det første, ved at bruge højopløselighedsfunktionerne i I05 beamline ved Diamond, de etablerede 'spredning' af de elektroniske stater, dvs. de tilladte måder for elektroner at bevæge sig inde i krystallen, og viste, at dette var helt endimensionalt. Ud over, forskerne fandt ud af, at de slet ikke havde nogen intensitet i målingerne for de laveste energitilstande. "På billedet af kvasepartikler, vi ville forvente at finde elektroniske tilstande helt ned til de laveste bindingsenergier "sagde Dr Watson, "men i stedet så vi en total udtømning af disse tilstande i vores måling." Denne observation bekræfter, at quasiparticle -billedet ikke gælder for K ₂ Kr ₃ Som ₃ , men kan naturligt forstås i sammenhæng med en Tomonoga-Luttinger væske.