Kontrollerbar elektronstrøm i kvantetråde

Princeton-forskere har demonstreret en ny måde at lave kontrollerbare "kvantetråde" på i nærvær af et magnetfelt, ifølge en ny undersøgelse offentliggjort i Natur .

Forskerne opdagede kanaler af ledende elektroner, der dannes mellem to kvantetilstande på overfladen af ​​en vismutkrystal, der er udsat for et højt magnetfelt. Disse to tilstande består af elektroner, der bevæger sig i elliptiske kredsløb med forskellige retninger.

Til holdets overraskelse, de fandt ud af, at strømmen i disse kanaler kan tændes og slukkes, gør disse kanaler til en ny type kontrollerbar kvantetråd.

"Disse kanaler er bemærkelsesværdige, fordi de spontant dannes ved grænserne mellem forskellige kvantetilstande, hvor elektroner kollektivt justerer deres elliptiske baner, "sagde Ali Yazdani, klassen af ​​1909 professor i fysik og direktør for Princeton Center for Complex Materials, hvem der stod i spidsen for forskningen. "Det er spændende at se, hvordan interaktionen mellem elektroner i kanalerne stærkt dikterer, om de kan lede eller ej."

Forskerne brugte et scanningstunnelmikroskop - en enhed, der er i stand til at afbilde individuelle atomer og kortlægge elektronernes bevægelse på et materiales overflade - for at visualisere elektronadfærd på overfladen af ​​en krystal lavet af ren vismut.

Med dette instrument, teamet afbildede direkte elektronernes bevægelser i nærværelse af et magnetfelt tusinder af gange større end en køleskabsmagnet. Anvendelsen af ​​det store magnetfelt tvinger elektroner til at bevæge sig i elliptiske baner, i stedet for den mere typiske strøm af elektroner parallelt med retningen af ​​et elektrisk felt.

Teamet fandt ud af, at de ledende kanaler dannes ved grænsen, som de kalder en dal-polariseret domænevæg, mellem to områder på krystallen, hvor elektronbanerne pludselig skifter orientering.

Mallika Randeria, en kandidatstuderende ved Institut for Fysik, hvem udførte eksperimenterne, sagde:"Vi finder ud af, at der er to-sporet og fire-sporet kanaler, hvor elektronerne kan flyde, afhængig af den præcise værdi af magnetfeltet. "Hun og hendes kolleger observerede, at når elektroner er indstillet til at bevæge sig i en firefelts kanal, de sidder fast, men de kan flyde uhindret, når de kun er begrænset til en to-sporet kanal.

I forsøget på at forstå denne adfærd, forskerne afdækkede nye regler, hvorved kvantemekanikkens love dikterer frastødning mellem elektroner i disse flerkanals kvantetråde. Mens det større antal baner synes at tyde på bedre ledningsevne, frastødningen mellem elektroner får kontraintuitivt til at skifte spor, ændre retning, og sidde fast, resulterer i isolerende adfærd. Med færre kanaler, elektroner har ingen mulighed for at skifte spor og skal transmittere elektrisk strøm, selvom de skal bevæge sig "gennem" hinanden-et kvantefænomen kun muligt i sådanne endimensionelle kanaler.

Lignende beskyttet ledning sker langs grænserne for såkaldte topologiske tilstande af stof, som var genstand for Nobelprisen i 2016 tildelt Princetons F. Duncan Haldane, Sherman Fairchild University professor i fysik. Den teoretiske forklaring på det nye fund bygger på tidligere arbejde udført af to medlemmer af teamet, Siddharth Parameswaran, som dengang var kandidatstuderende ved Princeton og nu er lektor i fysik ved Oxford University, og Princetons Shivaji Sondhi, professor i fysik, og samarbejdspartnere.

"Selvom nogle af de teoretiske ideer, vi brugte, har eksisteret et stykke tid, det er stadig en udfordring at se, hvordan de passer sammen for at forklare et egentligt eksperiment, og en rigtig spænding når det sker, "Parameswaran sagde." Dette er et perfekt eksempel på, hvordan eksperiment og teori fungerer sammen:Uden de nye eksperimentelle data ville vi aldrig have revideret vores teori igen, og uden den nye teori havde det været svært at forstå eksperimenterne. "