De beweging van duizenden elektronen ligt ten grondslag aan elektronica. Nog, alomtegenwoordig als elektronen zijn, de bijzonderheden van hun gedrag blijven natuurkundigen stomverbaasd. Eén fenomeen is bijzonder raadselachtig gebleken:hoe elektronen bewegen onder invloed van gepolariseerde elektromagnetische golven.

Polarisatie treedt op wanneer golven zoals elektromagnetische golven of lichtgolven roteren. Elektromagnetische velden die microgolven worden genoemd, hebben een roterend elektrisch veld dat met de klok mee of tegen de klok in draait, en de meeste theorieën voorspellen dat microgolven de rotatie van elektronen zullen beïnvloeden. En toch, experimentele studies hebben aangetoond dat elektronen onaangetast lijken te zijn door microgolfpolarisatie. Deze theorie-tartende resultaten hebben fysici lange tijd verbijsterd.

Een nieuwe studie door onderzoekers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) kan deze ongelijkheid verklaren. In productie, de OIST-onderzoekers maten elektrische stroom over een tweedimensionaal vlak. Door de polarisatie van microgolven te veranderen, de onderzoekers konden aantonen dat polarisatie inderdaad de beweging van de elektronen beïnvloedt. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Het is normaal om te verwachten dat het effect het sterkst zal zijn wanneer zowel elektronen als microgolfvelden in dezelfde richting draaien, en zal sterk worden verminderd wanneer de richtingen van hun rotatie tegengesteld zijn, " zei Denis Konstantinov, senior auteur van dat artikel en hoofd van de Quantum Dynamics Unit van OIST. Dat is inderdaad wat Konstantinov en zijn team vonden.

Het team van OIST werkte aan de studie samen met onderzoekers van het Institute of Low Temperature Physics and Engineering in Oekraïne. Terwijl een collega in Oekraïne een wiskundig raamwerk ontwikkelde om toonaangevende theorieën binnen het raamwerk van de onderzoekers te testen, wetenschappers van OIST hebben ze experimenteel getest.

Bij eerdere experimenten is de beweging van de elektronen werd bestudeerd in halfgeleidermaterialen zoals halfgeleiders. Maar deze materialen bevatten onzuiverheden die onmogelijk te verwijderen zijn en die de resultaten kunnen beïnvloeden. Dus creëerden de onderzoekers een systeem dat de functie van een halfgeleider nauw nabootst door vloeibaar helium te gebruiken. Het bestaat uit elektronen op het oppervlak van vloeibaar helium, ingesloten in een vacuümkamer en afgekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt - ruwweg -273 Celsius.

"Niets is ideaal in vaste toestand, "zei Konstantinov. "Daarom is ons systeem mooi - nu kunnen we al deze onzuiverheden en defecten elimineren."

Helium heeft een uniek vermogen:het blijft een vloeistof, zelfs bij temperaturen die het absolute nulpunt bereiken. In de tussentijd, alle andere verbindingen (onzuiverheden in het helium) bevriezen, klampt zich vast aan de wanden van zijn container. Bij zo'n lage temperatuur de elektronen aan het oppervlak van het helium worden "gekwantiseerd" - de beweging van elektronen loodrecht op de vloeistof wordt "uitgevroren" in een tweedimensionale ruimte, zei Konstantinov.

In dit systeem, toen de onderzoekers circulair gepolariseerde microgolven door deze laag elektronen stuurden en de elektronen in dezelfde richting lieten draaien als de rotatie van het microgolfveld, de gemeten stroom van elektronen begon te oscilleren met het aangelegde magnetische veld. Toen ze de rotatie van elektronen omkeerden door de richting van het magnetische veld te veranderen, de oscillatie aanzienlijk verzwakt. De onderzoekers observeerden hetzelfde gedrag door de draairichting van het microgolfveld om te draaien terwijl de rotatie van de elektronen ongewijzigd bleef.

Dat betekent dat elektronen inderdaad worden beïnvloed door polarisatie van deze elektromagnetische golven. Nog altijd, er moet nog meer worden gedaan om te begrijpen waarom deze deeltjes zich precies gedragen zoals ze doen, zei Oleksiy Zadorozhko, eerste auteur op het papier en een postdoctoraal onderzoeker bij OIST.

"Op dit moment kunnen we nog niet aangeven welke van de vele theorieën de belangrijkste is, " zei hij. "Onze volgende stap is een meer gedetailleerde studie hiervan."