Het recent ontdekte materiaal K ₂ Cr ₃ Als ₃ heeft een structuur die bestaat uit parallelle Cr-As-ketens, wat de mogelijkheid biedt om het exotische gedrag te bestuderen dat naar verwachting zal optreden wanneer elektronen effectief worden beperkt om slechts in één dimensie te bewegen. Zijn eigenaardige eigenschappen, een ongebruikelijke metallische toestand hebben voordat ze supergeleidend zijn bij 7 K, hebben onderzoekers nieuwsgierig gemaakt naar hoe de geleidingselektronen in het systeem het beste kunnen worden beschreven.

In een recente publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven , wetenschappers van Diamond Light Source, in samenwerking met partners bij ISIS Neutron &Muon Source, evenals Britse en internationale universiteiten, gebruikte de hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie (ARPES) bundellijn (I05) om de eerste succesvolle hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie metingen van K uit te voeren ₂ Cr ₃ Als ₃ . Ze ontdekten een karakteristieke handtekening van een Tomonoga-Luttinger vloeistof, dat is het theoretische model voor elektronen in een eendimensionaal kristal. Deze metingen bevestigen dat het eendimensionale beeld klopt, wat de verschijning van supergeleiding in het systeem nog intrigerender maakt.

Verschillende ideeën in één dimensie

Natuurkundigen van de gecondenseerde materie hebben verschillende modellen voor het gedrag van elektronen in vaste stoffen. Vaak is het handig om na te denken over elektronen die stevig zijn gebonden aan een bepaalde atomaire plaats. In andere gevallen, ze denken dat elektronen worden 'gedelokaliseerd' - de elektronen kunnen vrij van site naar site springen. In dat geval hebben de elektronen een sterke wisselwerking met de ionen in het rooster en met elkaar, die snel verandert in een zeer complex veel-deeltjes kwantummechanica probleem. Echter, in het veld is het duidelijk dat de toestanden die voortkomen uit dit verstrengelde probleem 'quasideeltjes' worden genoemd, die zich enigszins gedragen als individuele elektronen, maar een 'effectieve massa' kunnen hebben die verschilt van die van een vrij elektron. Dit concept is een bouwsteen van ons begrip van metalen en halfgeleiders, en zal bekend zijn bij elke niet-gegradueerde fysicus. Maar het beeld van quasideeltjes, die zo goed werkt voor 3D- en 2D-materialen, valt theoretisch uiteen in één dimensie.

In feite is er een goed gevestigde theoretische beschrijving voor elektronen in een eendimensionaal kristal, bekend als de 'Tomonoga-Luttinger-vloeistof'. In dit scenario, men houdt niet langer rekening met de beweging van individuele elektronen, maar in plaats daarvan bewegen de elektronen collectief, met golfachtige beweging. "Je kunt het zien als een schooldisco van het zesde jaar, " zei dr. Matthew Watson, de hoofdauteur van de studie. "Normaal doet iedereen zijn eigen ding, af en toe tegen elkaar aan botsen, maar uiteindelijk komt de tijd dat iedereen samenkomt om een ​​congalijn te creëren, die een eigen leven gaat leiden."

Bewijs voor een Tomonoga-Luttinger vloeibare toestand in quasi-eendimensionale K ₂ Cr ₃ Als ₃

De experimentele vraag is of er iets kan bestaan ​​dat lijkt op de wiskundige resultaten voor één dimensie in een echt kristal, en vervolgens ook om te ontdekken welke fysieke eigenschappen hieruit zouden kunnen voortkomen. Het recent ontdekte materiaal K ₂ Cr ₃ Als ₃ biedt een nieuwe kans voor dergelijke onderzoeken. De kristallen van dit materiaal zijn natuurlijk driedimensionale objecten, vormen als lange naald-vormen. Echter, de kristallen bestaan ​​uit parallelle ketenachtige structuren opgebouwd uit de Cr- en As-atomen, zodat er duidelijk één voorkeursrichting in het systeem is. Natuurkundigen noemen dergelijke systemen graag 'quasi-eendimensionaal'. De vraag is; gedragen de geleidingselektronen zich alsof ze zich in een echt eendimensionaal systeem bevinden, of zou het systeem toch quasideeltjestoestanden hebben?

Dr. Watson en collega's gebruikten de techniek van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie om de elektronische toestanden in K te onderzoeken. ₂ Cr ₃ Als ₃ . Ten eerste, door gebruik te maken van de hoge resolutie mogelijkheden van de I05 beamline bij Diamond, zij vestigden de 'dispersies' van de elektronische toestanden, d.w.z. de toegestane manieren voor elektronen om in het kristal te bewegen, en toonde aan dat dit volledig eendimensionaal was. In aanvulling, de onderzoekers ontdekten dat ze helemaal geen intensiteit hadden in de metingen voor de laagste energietoestanden. "In de quasideeltjesfoto, we zouden verwachten dat we elektronische toestanden zouden vinden tot aan de laagste bindingsenergieën", zei dr. Watson, "maar in plaats daarvan zagen we een totale uitputting van deze staten in onze meting." Deze waarneming bevestigt dat het quasideeltjesbeeld niet van toepassing is op K ₂ Cr ₃ Als ₃ , maar kan natuurlijk worden begrepen in de context van een Tomonoga-Luttinger-vloeistof.