Slår elektronegenskaber individuelt til og fra

Egenskaber af komplekse materialer bestemmes ofte af samspillet mellem flere elektronegenskaber. Det er nu lykkedes TU Wien (Wien) at fjerne dette rod.

Kun ved ekstremt lave temperaturer råder orden. På det teknologiske universitet i Wien, materialer afkøles til næsten det absolutte nulpunkt, så elektroner, som ellers indtager forskellige tilstande helt tilfældigt, vise visse regelmæssigheder. Men selv opførelsen af ​​sådanne ekstremt kolde elektroner er vanskelig at forstå, på den ene side fordi elektronerne påvirker hinanden stærkt og ikke kan beskrives separat, og på den anden side fordi forskellige elektronkarakteristika spiller en rolle på samme tid. Imidlertid, forståelsen er nu gjort lettere af eksperimenter på TU Wien:Det var muligt at påvirke forskellige karakteristika ved elektronerne adskilt fra hinanden. Tæt sammenvævede kvantefænomener kan således forstås individuelt. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet PNAS .

Skakbrikker og elektroner

Forestil dig, at vi har en stor pose skakbrikker, som du placerer på et skakbræt efter hinanden, indtil det er fyldt. Der er forskellige måder at skabe ordnede mønstre på:F.eks. du kan altid placere et hvidt og et sort stykke skiftevis. Du kan også ignorere farverne og skiftevis placere en ridder og et tårn, eller tænk på mere komplicerede ordremønstre, der kombinerer farve og figurtype.

Det ligner elektroner i et fast stof:Som i et skakbræt, der er jævnligt arrangerede steder, hvor elektroner kan sidde. Og ligesom skakbrikker, elektroner har forskellige egenskaber, som kan bruges til at skabe orden.

"Elektronernes enkleste egenskab er deres ladning - den er ansvarlig for strømmen af ​​elektrisk strøm. Men ladningen er den samme for alle elektroner, " siger prof. Silke Bühler-Paschen fra Institute of Solid State Physics ved TU Wien. "Tingene bliver mere interessante, hvis vi også tænker på elektronspin. Til spin, der er altid to forskellige muligheder. Dens magnetiske egenskaber bestemmes af det regelmæssige arrangement af elektronspin i et fast legeme."

Hvor er elektronen placeret? Den orbitale frihedsgrad

Imidlertid, for lokaliserede elektroner er der en anden egenskab, en anden grad af frihed, som spiller en vigtig rolle:Den orbitale frihedsgrad. Hvis en elektron er bundet til et bestemt atom, forskellige rumlige arrangementer er mulige. Kvantefysik giver mulighed for forskellige geometriske forhold mellem elektron og atom - og dette giver også mulighed for ordnede strukturer i det faste stof, for eksempel når mange identiske atomer er arrangeret i en krystal, og hver har en elektron, der er i samme orbitale tilstand.

"Vi undersøgte et materiale lavet af palladium, silicium og cerium, "siger Silke Bühler-Paschen." Vi fokuserer på elektronerne placeret ved ceriumatomet og på ledningselektronerne, som kan bevæge sig frit gennem krystallen." Ved hjælp af ledningselektroner, det er muligt at påvirke rækkefølgen af ​​elektronerne ved ceriumatomet - både deres spin-frihedsgrad og deres orbitale frihedsgrad. "Dette gøres ved at afskærme, "forklarer Bühler-Paschen." Ledningselektronerne kan praktisk talt skjule både spin og orbitaltilstand for de faste elektroner, som kaldes Kondo-effekten. Det betyder, at rækkefølge ikke længere er mulig." Som det nu er blevet vist, rækkefølgen af ​​disse to frihedsgrader kan tændes og slukkes separat ved meget lave temperaturer - ved hjælp af små magnetfeltændringer.

"Det faktum, at orden i kvantesystemer kollapser eller dukker op igen i visse situationer, er ikke nyt, " siger Silke Bühler-Paschen. "Men her har vi et system, hvor rækkefølgen kan tændes og slukkes individuelt i forhold til to forskellige frihedsgrader, der er tæt sammenvævet ved høje temperaturer - og det er ret bemærkelsesværdigt."

Denne mulighed kunne nu være med til at afdække særligt interessante egenskaber ved komplekse materialer. "Der er grunde til at antage, at den orbitale frihedsgrad også spiller en vigtig rolle i fænomenet ukonventionel superledning, " siger Silke Bühler-Paschen. "Vi har nu et nyt instrument til rådighed for bedre at forstå sådanne teknologisk vigtige effekter."