Opførsel af fangede elektroner i en endimensionel verden observeret i laboratoriet

Et team af fysikere ved universitetet i Köln har, for første gang, set en særlig eksotisk opførsel af elektroner på atomær skala. Elektroner bevæger sig normalt næsten frit gennem det tredimensionelle rum. Imidlertid, når de er tvunget til at bevæge sig i kun én dimension, dvs. i en kæde af atomer, de begynder at opføre sig mærkeligt. Tomonaga-Luttingers væsketeori forudsagde dette for årtier siden. I laboratoriet, imidlertid, dette fænomen er hidtil kun blevet vist indirekte.

Et internationalt forskerhold ledet af professor Dr. Thomas Michely ved University of Cologne's Institute of Physics II har nu produceret endimensionelle ledninger, giver dem mulighed for at se opførselen af ​​fangede elektroner i 1-D med scanning tunneling mikroskop. De rapporterer om deres opdagelse i journalen Fysisk gennemgang X .

"I 1950 Den japanske fysiker og senere nobelpristager Shin'ichiro Tomonaga forestillede sig, hvad elektroner ville gøre i et metal reduceret til én dimension, det er, en kæde af enkelte atomer, " sagde Michely. "De bemærkelsesværdige konsekvenser, der opstår, når elektroner ikke længere kan undgå hinanden, er særligt fascinerende for os fysikere. I en ægte 3-D krystal, deres interaktion er ret svag, fordi de er ret frie til at bevæge sig rundt i sådan et 'åbent' system. I 1-D, imidlertid, elektronerne kan simpelthen ikke undgå hinanden og begynder at interagere stærkt."

Elektroner bærer normalt en ladning og et spin, et kvantemekanisk vinkelmoment. Imidlertid, i 1-D, de holder op med at opføre sig som normale elektroner på grund af deres stærke interaktion. I stedet, de deler sig i to typer kvasipartikler, der enten har spin eller ladning. Her beskrives elektroner bedre som to uafhængige bølger:en spindensitetsbølge og en ladningstæthedsbølge. Dette fænomen kaldes spin-ladningsadskillelse og er kernen i Tomonaga-Luttingers væsketeori, opkaldt efter Tomonaga, som først formulerede det i 1950, og den amerikanske teoretiske fysiker Joaquin Mazdak Luttinger, som udviklede teorien videre.

For at kunne se denne spin-ladningsadskillelse lokalt for første gang, forskerne fra Köln fangede den såkaldte Tomonaga-Luttinger-væske i tråd af begrænset længde, i det væsentlige låser den i et bur. På grund af ledningens begrænsede længde, stående elektronbølger med diskrete energier dannes, som krævet af kvantemekanikken. Dette gør det muligt at udforske grænserne for Luttinger og Tomonagas teorier med en uudgrundelig præcision i deres tid.

Forskergruppen ved Institut for Fysik II har specialiseret sig i produktion og udforskning af 2-D materialer såsom grafen og monolag molybdændisulfid (MoS) ₂ ). De fandt det på grænsefladen mellem to MoS ₂ øer, hvoraf det ene er spejlbilledet af det andet, dannes en metaltråd af atomer. Forskerne var i stand til at visualisere de stående bølger langs ledningen og deres diskrete energier ved hjælp af deres scanning tunneling mikroskop ved en temperatur på -268 grader C (5 Kelvin).

Til deres overraskelse, forskerne opdagede to sæt stående bølger i ledningen, mens for 'normale' uafhængige elektroner, kun ét sæt ville have været forventet. Nøglen til at forklare fænomenet kom fra de teoretiske fysikere omkring professor Dr. Achim Rosch, også Kölns Universitet:De to sæt stående bølger repræsenterer spindensiteten og ladningstæthedens bølger, som Tomonaga og Luttinger forudsagde for et halvt århundrede siden.

Forskerne planlægger nu at undersøge elektronernes adfærd i endimensionelle bure endnu nærmere. For at teste grænserne for Tomonaga-Luttingers væsketeori, de ønsker at udføre nye eksperimenter ved temperaturer mere end 10 gange lavere (0,3 grader Kelvin) og i et forbedret "bur".