Frysning af elektroner får dem til at komme på linje

Ny forskning offentliggjort i Naturkommunikation antyder, at elektroner i en todimensionel gas kan gennemgå en halvordnet (nematisk) til hovedsagelig ordnet (smektisk) faseovergang, som er blevet diskuteret i fysikteori, men aldrig set i praksis før.

"Forestil dig, at vi kunne bygge en skøjtebane til elektroner, og elektronerne skulle bevæge sig langs overfladen; de kunne ikke bevæge sig op og ned, så de skulle bare skøjte rundt om hinanden, sagde Michael Manfra, Bill og Dee O'Brien Chair Professor i fysik og astronomi ved Purdue. "Når du køler dem ned til meget lave temperaturer og placerer dem i et magnetfelt, de låser sig ligesom i takt med hinanden; de stiller op som soldater på en slagmark."

Purdue-teamet brugte en vækstteknik med høj renhed, kaldet molekylær stråleepitaksi, at dyrke et halvledermateriale (galliumarsenid), der begrænser elektroner til et todimensionelt lag. Derefter afkølede de prøven til næsten det absolutte nulpunkt i et fortyndingskøleskab. Spændingsonder langs lederens længde målte modstand, som er en funktion af temperatur og magnetfelt.

Forskerne mener, at de inducerede en overgang fra en nematisk til en smektisk tilstand. For at få dette til at ske, forholdene skulle være perfekte – ekstremt kolde, på en meget ren overflade, i et vinkelret magnetfelt.

"Ved høje temperaturer, det ser isotropt ud, som elektroner, der tilfældigt danser rundt om hinanden, " sagde Manfra. "Når det begynder at køle af, elektronerne låses i søjler, og vi ser modstanden tage fart og toppe. Så når vi går til meget lave temperaturer, det vender igen. Dette indikerer en overgang fra en nematisk til smektisk fase."

Disse resultater er ikke, hvad holdet oprindeligt ledte efter - det var en utilsigtet opdagelse, der hjælper dem med bedre at forstå, hvordan elektroner interagerer med hinanden i kontrollerede miljøer. Opdagelser i fysik sker ofte på denne måde; under de rette forhold, serendipitale hændelser kan forekomme.