Princeton-onderzoekers hebben een nieuwe manier aangetoond om controleerbare "kwantumdraden" te maken in de aanwezigheid van een magnetisch veld, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur .

De onderzoekers ontdekten kanalen van geleidende elektronen die zich vormen tussen twee kwantumtoestanden op het oppervlak van een bismutkristal dat wordt blootgesteld aan een hoog magnetisch veld. Deze twee toestanden bestaan ​​uit elektronen die in elliptische banen met verschillende oriëntaties bewegen.

Tot verbazing van het team ze ontdekten dat de stroom in deze kanalen kan worden in- en uitgeschakeld, waardoor deze kanalen een nieuw type bestuurbare kwantumdraad vormen.

"Deze kanalen zijn opmerkelijk omdat ze zich spontaan vormen op de grenzen tussen verschillende kwantumtoestanden waarin elektronen hun elliptische banen collectief uitlijnen, " zei Ali Yazdani, the Class of 1909 Professor of Physics en directeur van het Princeton Centre for Complex Materials, die het onderzoek leidde. "Het is spannend om te zien hoe de interactie tussen elektronen in de kanalen sterk dicteert of ze al dan niet kunnen geleiden."

De onderzoekers gebruikten een scanning tunneling-microscoop - een apparaat dat individuele atomen kan afbeelden en de beweging van elektronen op het oppervlak van een materiaal in kaart kan brengen - om het elektronengedrag op het oppervlak van een kristal gemaakt van zuiver bismut te visualiseren.

Met dit instrument het team bracht de bewegingen van de elektronen direct in beeld in de aanwezigheid van een magnetisch veld dat duizenden keren groter is dan dat van een koelkastmagneet. De toepassing van het grote magnetische veld dwingt elektronen om in elliptische banen te bewegen, in plaats van de meer typische stroom van elektronen evenwijdig aan de richting van een elektrisch veld.

Het team ontdekte dat de geleidende kanalen zich vormen aan de grens, die ze een vallei-gepolariseerde domeinmuur noemen, tussen twee gebieden op het kristal waar de elektronbanen abrupt van oriëntatie veranderen.

Mallika Randeria, een afgestudeerde student in het departement Natuurkunde, die de experimenten uitvoerde, zei:"We vinden dat er tweebaans- en vierbaanskanalen zijn waarin de elektronen kunnen stromen, afhankelijk van de precieze waarde van het magnetische veld." Zij en haar collega's merkten op dat wanneer elektronen worden afgestemd om in een kanaal met vier banen te bewegen, ze komen vast te zitten, maar ze kunnen ongehinderd stromen wanneer ze beperkt zijn tot slechts een kanaal met twee rijstroken.

Om dit gedrag te begrijpen, de onderzoekers ontdekten nieuwe regels waarmee de wetten van de kwantummechanica de afstoting tussen elektronen in deze meerkanaals kwantumdraden dicteren. Hoewel het grotere aantal rijstroken lijkt te wijzen op een betere geleidbaarheid, de afstoting tussen elektronen zorgt er contra-intuïtief voor dat ze van baan wisselen, verander richting, en vast komen te zitten, wat resulteert in isolerend gedrag. Met minder zenders, elektronen hebben geen optie om van baan te veranderen en moeten elektrische stroom overbrengen, zelfs als ze "door" elkaar moeten bewegen - een kwantumverschijnsel dat alleen mogelijk is in dergelijke eendimensionale kanalen.

Soortgelijke beschermde geleiding vindt plaats langs de grenzen van zogenaamde topologische toestanden van materie, die het onderwerp waren van de 2016 Nobelprijs toegekend aan F. Duncan Haldane van Princeton, de Sherman Fairchild University hoogleraar natuurkunde. De theoretische verklaring voor de nieuwe bevinding bouwt voort op eerder werk van twee leden van het team, Siddharth Parameswaran, die toen een afgestudeerde student was aan Princeton en nu een universitair hoofddocent natuurkunde is aan de Universiteit van Oxford, en Shivaji Sondhi van Princeton, hoogleraar natuurkunde, en medewerkers.

"Hoewel sommige van de theoretische ideeën die we gebruikten al een tijdje bestaan, het is nog steeds een uitdaging om te zien hoe ze bij elkaar passen om een ​​echt experiment te verklaren, en een echte sensatie als dat gebeurt, "Zei Parameswaran. "Dit is een perfect voorbeeld van hoe experiment en theorie samenwerken:zonder de nieuwe experimentele gegevens zouden we onze theorie nooit opnieuw hebben bekeken, en zonder de nieuwe theorie zou het moeilijk zijn geweest om de experimenten te begrijpen."