Elektroner tager de hurtige og langsomme baner på samme tid

Forestil dig en vej med to vejbaner i hver retning. Den ene vognbane er til langsomme biler, og den anden er til hurtige. For elektroner, der bevæger sig langs en kvantetråd, har forskere i Cambridge og Frankfurt opdaget, at der også er to "baner", men elektroner kan tage begge på samme tid!

Strøm i en ledning bæres af strømmen af ​​elektroner. Når ledningen er meget smal (en-dimensionel, 1D) så kan elektroner ikke overhale hinanden, da de frastøder hinanden kraftigt. Strøm, eller energi, bæres i stedet af kompressionsbølger, når en partikel skubber på den næste.

Det har længe været kendt, at der findes to typer excitation for elektroner, da de udover deres ladning har en egenskab, der kaldes spin. Spin- og opladnings-excitationer kører med faste, men forskellige hastigheder, som forudsagt af Tomonaga-Luttinger-modellen for mange årtier siden. Teoretikere er dog ikke i stand til at beregne, hvad der præcist sker ud over kun små forstyrrelser, da vekselvirkningerne er for komplekse. Cambridge-teamet har målt disse hastigheder, da deres energi er varieret, og finder ud af, at et meget simpelt billede tegner sig (nu offentliggjort i tidsskriftet Science Advances ). Hver type excitation kan have lav eller høj kinetisk energi, som biler på en vej, med den velkendte formel E=1/2 mv ² , som er en parabel. Men for spin og lad masserne m er forskellige, og da ladninger frastøder og derfor ikke kan indtage samme tilstand som en anden ladning, er der dobbelt så bredt et momentum for ladning som for spin. Resultaterne måler energi som funktion af magnetfelt, som svarer til momentum eller hastighed v , der viser disse to energiparabler, som kan ses på steder helt op til fem gange den højeste energi optaget af elektroner i systemet.

"Det er, som om bilerne (som ladninger) kører i den langsomme vognbane, men deres passagerer (som spins) kører hurtigere i den hurtige vognbane," forklarede Pedro Vianez, der udførte målingerne til sin ph.d. på Cavendish Laboratory i Cambridge. "Selv når bilerne og passagererne sænker farten eller sætter farten op, forbliver de stadig adskilt!"

"Det bemærkelsesværdige her er, at vi ikke længere taler om elektroner, men i stedet om sammensatte (kvasi)partikler af spin og ladning - almindeligvis kaldet henholdsvis spinoner og holoner. I lang tid mente man, at disse blev ustabile ved sådanne høje energier, men det, der observeres, peger på præcis det modsatte - de ser ud til at opføre sig på en måde meget lig normale, frie, stabile elektroner, hver med deres egen masse, bortset fra at de i virkeligheden ikke er elektroner, men excitationer af et helt hav af ladninger eller spins!" sagde Oleksandr Tsyplyatyev, teoretikeren, der ledede arbejdet ved Goethe-universitetet i Frankfurt.

"Dette papir repræsenterer kulminationen på mere end et årti med eksperimentelt og teoretisk arbejde med fysikken i endimensionelle systemer," sagde Chris Ford, der ledede det eksperimentelle team. "Vi var altid nysgerrige efter at se, hvad der ville ske, hvis vi tog systemet til højere energier, så vi forbedrede gradvist vores måleopløsning for at udvælge nye funktioner. Vi fremstillede en række halvledende arrays af ledninger fra 1 til 18 mikron i længden ( det vil sige ned til en tusindedel af millimeteren eller cirka 100 gange tyndere end et menneskehår), med så få som 30 elektroner i en ledning, og målte dem ved 0,3 K (eller med andre ord -272,85 ^⚬ C, ti gange koldere end det ydre rum)."

Detaljer om eksperimentel teknik

Elektroner tunnelerer fra 1D-ledningerne ind i en tilstødende todimensionel elektrongas, der fungerer som et spektrometer, der producerer et kort over forholdet mellem energi og momentum. "Denne teknik minder på alle måder meget om vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), som er en almindeligt anvendt metode til at bestemme båndstrukturen af ​​materialer i det kondenserede stofs fysik. Den vigtigste forskel er, at snarere end at sondere på overfladen, vores system er begravet hundrede nanometer under det," sagde Vianez. Dette gjorde det muligt for forskerne at opnå opløsning og kontrol uden fortilfælde for denne type spektroskopi-eksperiment.

Konklusion

Disse resultater åbner nu spørgsmålet om, hvorvidt denne spin-ladningsadskillelse af hele elektronhavet forbliver robust ud over 1D, f.eks. i højtemperatur-superledende materialer. Det kan også nu anvendes på logiske enheder, der udnytter spin (spintronics), som tilbyder en drastisk reduktion (med tre størrelsesordener!) af energiforbruget for en transistor, og samtidig forbedrer vores forståelse af kvantestof og tilbyder en ny værktøj til konstruktion af kvantematerialer. + Udforsk yderligere

Kvantesimulator viser, hvordan dele af elektroner bevæger sig med forskellige hastigheder i 1D