Underlig elektronadfærd bliver endnu mere underlig:Ladningsfraktionalisering observeret spektroskopisk

Et forskerhold ledet af Paul Scherrer Instituttet har spektroskopisk observeret fraktioneringen af ​​elektronisk ladning i en jernbaseret metallisk ferromagnet. Eksperimentel observation af fænomenet er ikke kun af fundamental betydning. Da det forekommer i en legering af almindelige metaller ved tilgængelige temperaturer, rummer det potentiale for fremtidig udnyttelse i elektroniske enheder. Opdagelsen er publiceret i tidsskriftet Nature .

Grundlæggende kvantemekanik fortæller os, at den grundlæggende ladningsenhed er ubrydelig:elektronladningen er kvantiseret. Alligevel har vi forstået, at der findes undtagelser. I nogle situationer arrangerer elektroner sig kollektivt, som om de var opdelt i uafhængige enheder, der hver besidder en brøkdel af ladningen.

Det faktum, at ladning kan fraktioneres, er ikke nyt:det er blevet observeret eksperimentelt siden begyndelsen af ​​1980'erne med Fractional Quantum Hall Effect. I dette observeres konduktansen af ​​et system, hvor elektroner er begrænset til et todimensionalt plan, at blive kvantiseret i fraktioneret - i stedet for heltal - ladningsenheder.

Hall-effekten giver et indirekte mål for ladningsfraktionalisering gennem en makroskopisk manifestation af fænomenet:spændingen. Som sådan afslører den ikke den mikroskopiske adfærd - dynamikken - af fraktioneret ladninger. Forskerholdet, et samarbejde mellem institutioner i Schweiz og Kina, har nu afsløret en sådan dynamik via spektroskopi af elektroner, der udsendes fra en ferromagnet, når de belyses af en laser.

Skub elektronerne til mærkelig adfærd

For at fraktionere ladninger skal du tage elektroner til et fremmed sted, hvor de holder op med at følge normale regler. I konventionelle metaller bevæger elektroner sig typisk gennem materialet og ignorerer generelt hinanden bortset fra lejlighedsvise bump. De besidder en række forskellige energier. De energiniveauer, de ligger i, beskrives som "dispersive bånd", hvor elektronernes kinetiske energi afhænger af deres momenta.

I nogle materialer kan visse ekstreme forhold skubbe elektroner til at begynde at interagere og opføre sig kollektivt. Flade bånd er områder i den elektroniske struktur af et materiale, hvor elektronerne alle ligger i samme energitilstand, dvs. hvor de har næsten uendelige effektive masser. Her er elektroner for tunge til at undslippe hinanden, og stærke interaktioner mellem elektroner hersker.

Sjældne og eftertragtede flade bånd kan føre til fænomener, herunder eksotiske former for magnetisme eller topologiske faser såsom fraktioneret kvante Hall-tilstande.

For at observere Fractional Quantum Hall Effect anvendes stærke magnetfelter og meget lave temperaturer, som undertrykker elektronernes kinetiske energi og fremmer stærke interaktioner og kollektiv adfærd.

Forskerholdet kunne opnå dette på en anden måde uden anvendelse af et stærkt magnetfelt:ved at skabe en gitterstruktur, der reducerer elektronkinetiske energier og tillader dem at interagere. Sådan et gitter er den japanske vævede bambus "kagome" måtte, som kendetegner atomlag i et overraskende stort antal kemiske forbindelser.

De gjorde deres opdagelse i Fe₃ Sn₂ , en forbindelse, der kun består af de fælles elementer jern (Fe) og tin (Sn), samlet i henhold til kagome-mønsteret af hjørnedelte trekanter.

Laser ARPES giver mulighed for et nærmere kig

Forskerne satte sig ikke for at observere ladningsfraktionalisering i kagome Fe₃ Sn₂ . I stedet var de simpelthen interesserede i at verificere, om der eksisterede flade bånd som forudsagt for dette ferromagnetiske materiale.

Ved at bruge laservinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (laser ARPES) ved universitetet i Genève med en meget lille strålediameter kunne de undersøge materialets lokale elektroniske struktur med en hidtil uset opløsning.

"Bandstrukturen i kagome Fe₃ Sn₂ er forskelligt afhængigt af hvilket ferromagnetisk domæne du sonderer. Vi var interesserede i at se, om vi ved hjælp af den mikrofokuserede stråle kunne detektere inhomogeniteter i den elektroniske struktur korreleret til domæner, der tidligere var blevet savnet," siger Sandy Ekahana, en postdoktor i Quantum Technology-gruppen ved PSI og førsteforfatter til undersøgelsen.

Elektronlommer og kolliderende bånd

Med fokus på visse krystaldomæner identificerede holdet en funktion kendt som elektronlommer. Disse er områder i momentumrummet af et materiales elektroniske båndstruktur, hvor elektronernes energi er på et minimum, hvilket effektivt danner lommer, hvor elektroner 'hænger ud'. Her opfører elektronerne sig som kollektive excitationer eller kvasipartikler.

Efter at have undersøgt disse nøje opdagede forskerne mærkelige træk i den elektroniske båndstruktur, som ikke var fuldt ud forklaret af teorien. Laser-ARPES-målingerne afslørede et dispersivt bånd, som ikke stemte overens med beregninger af densitetsfunktionsteori (DFT) - en af ​​de mest etablerede metoder til at studere elektroninteraktioner og -adfærd i materialer.

"Det sker ret ofte, at DFT ikke stemmer helt overens. Men fra et eksperimentelt synspunkt alene var dette bånd ekstremt ejendommeligt. Det var ekstremt skarpt, men så skar det pludselig af. Det er ikke normalt - normalt er bånd kontinuerlige ," forklarer Yona Soh, en videnskabsmand ved PSI og tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Forskerne indså, at de observerede et dispersivt bånd, der interagerer med et fladt bånd, forudsagt at eksistere af kolleger fra EPFL. Observationen af ​​et fladt bånd, der interagerer med et dispersivt bånd, er i sig selv af dyb interesse:Det menes, at interaktionen mellem flade og dispersive bånd tillader nye faser af stof at opstå, såsom "marginale" metaller, hvor elektroner ikke rejser meget længere end deres kvantebølgelængde og ejendommelige superledere.

"Der har været en masse teoretisk diskussion om interaktionen mellem flade og dispersive bånd, men det er første gang, at et nyt bånd forårsaget af denne interaktion er blevet opdaget spektroskopisk," siger Soh.

Fraktionalisering af ladning

Konsekvenserne af denne observation er endnu mere dybtgående. Når de to bands mødes, hybridiserer de for at lave et nyt band. Det oprindelige dispersive bånd er optaget. Det flade bånd er ubesat, da det ligger over Fermi-niveauet - et koncept, der beskriver afskæringen mellem optaget og ubesat energiniveau. Når det nye bånd er oprettet, deles ladningen mellem det originale dispersive bånd og det nye bånd. Det betyder, at hvert bånd kun indeholder en brøkdel af ladningen.

På denne måde giver målingerne fra Ekahana og kolleger direkte spektroskopisk observation af ladningsfraktionering.

"At opnå og observere tilstande, hvor ladning er fraktioneret, er spændende ikke kun ud fra grundforskningens perspektiv," siger Gabriel Aeppli, leder af fotonvidenskabsafdelingen ved PSI og professor ved EPFL og ETH Zürich, som foreslog undersøgelsen. "Vi observerer dette i en legering af almindelige metaller ved lave, men stadig relativt tilgængelige temperaturer. Dette gør det værd at overveje, om der er elektroniske enheder, der kan udnytte fraktionering."

Flere oplysninger: Yona Soh, Anomale elektroner i en metallisk kagome ferromagnet, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07085-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07085-w

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Paul Scherrer Institute