Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Keulen heeft, Voor de eerste keer, een bijzonder exotisch gedrag van elektronen op atomaire schaal gezien. Elektronen bewegen normaal gesproken bijna vrij door de driedimensionale ruimte. Echter, wanneer ze worden gedwongen om in slechts één dimensie te bewegen, d.w.z., in een keten van atomen, ze beginnen zich vreemd te gedragen. De vloeistoftheorie van Tomonaga-Luttinger voorspelde dit decennia geleden. In het labortorium, echter, dit fenomeen is tot nu toe alleen indirect aangetoond.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van professor Dr. Thomas Michely van het Institute of Physics II van de Universiteit van Keulen heeft nu eendimensionale draden geproduceerd, waardoor ze getuige kunnen zijn van het gedrag van gevangen elektronen in 1-D met de scanning tunneling microscoop. Ze doen verslag van hun ontdekking in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

"In 1950, De Japanse natuurkundige en later Nobelprijswinnaar Shin'ichiro Tomonaga stelde zich voor wat elektronen zouden doen in een tot één dimensie gereduceerd metaal. dat is, een keten van enkele atomen, "Zei Michely. "De opmerkelijke gevolgen die ontstaan ​​als elektronen elkaar niet langer kunnen vermijden, zijn bijzonder fascinerend voor ons natuurkundigen. In een echt 3D-kristal, hun interactie is nogal zwak omdat ze vrij vrij kunnen bewegen in zo'n 'open' systeem. In 1-D, echter, de elektronen kunnen elkaar gewoon niet vermijden en beginnen sterk met elkaar te interageren."

Elektronen dragen normaal gesproken een lading en een spin, een kwantummechanisch impulsmoment. Echter, in 1-D, ze gedragen zich niet meer als normale elektronen vanwege hun sterke interactie. In plaats daarvan, ze verdelen in twee soorten quasi-deeltjes die ofwel spin of lading hebben. Hier kunnen elektronen beter worden omschreven als twee onafhankelijke golven:een spindichtheidsgolf en een ladingsdichtheidsgolf. Dit fenomeen wordt spin-ladingscheiding genoemd en is de kern van de Tomonaga-Luttinger vloeistoftheorie, vernoemd naar Tomonaga, die het voor het eerst formuleerde in 1950, en de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Joaquin Mazdak Luttinger, die de theorie verder ontwikkelde.

Om deze spin-lading scheiding voor het eerst lokaal te kunnen zien, de onderzoekers uit Keulen vingen de zogenaamde Tomonaga-Luttinger-vloeistof op in draad van eindige lengte, in wezen opsluiten in een kooi. Door de eindige lengte van de draad, staande elektronengolven met discrete energieën vormen, zoals vereist door de kwantummechanica. Dit maakt het mogelijk om de grenzen van de theorieën van Luttinger en Tomonaga te verkennen met een precisie die in hun tijd ondoorgrondelijk was.

De onderzoeksgroep van het Institute of Physics II is gespecialiseerd in de productie en exploratie van 2D-materialen zoals grafeen en monolaag molybdeendisulfide (MoS ₂ ). Ze ontdekten dat op het grensvlak van twee MoS ₂ eilanden, waarvan de ene het spiegelbeeld is van de andere, een metalen draad van atomen vormt. De onderzoekers konden de staande golven langs de draad en hun discrete energieën visualiseren met behulp van hun scanning tunneling microscoop bij een temperatuur van -268 graden C (5 Kelvin).

Tot hun verbazing, de wetenschappers ontdekten twee sets staande golven in de draad, terwijl voor 'normale' onafhankelijke elektronen, slechts één set zou zijn verwacht. De sleutel tot het verklaren van het fenomeen kwam van de theoretische fysici rond professor Dr. Achim Rosch, ook Universiteit van Keulen:de twee sets staande golven vertegenwoordigen de spindichtheid en de ladingsdichtheidsgolven, zoals Tomonaga en Luttinger een halve eeuw geleden voorspelden.

De wetenschappers zijn nu van plan om het gedrag van de elektronen in eendimensionale kooien nog nader te onderzoeken. Om de grenzen van de Tomonaga-Luttinger vloeistoftheorie te testen, ze willen nieuwe experimenten uitvoeren bij temperaturen die meer dan 10 keer lager zijn (0,3 graden Kelvin) en in een verbeterde 'kooi'.