In een bevinding die zal helpen om exotische kwantumtoestanden te identificeren, Natuurkundigen van RIKEN hebben sterk concurrerende factoren gezien die het gedrag van een elektron in een hoogwaardig kwantummateriaal beïnvloeden.

Elektronen hebben een eigenschap genaamd spin, die grofweg kan worden gezien als de rotatie van een elektron om een ​​as. Als een elektron beweegt, zijn beweging en spin kunnen worden gekoppeld door een effect dat bekend staat als spin-baankoppeling. Dit effect is nuttig omdat het een manier biedt om de beweging van een elektron extern te regelen, afhankelijk van zijn spin - een essentieel vermogen voor een opkomende technologie genaamd spintronica, dat probeert elektronenspin te gebruiken om informatieverwerking met een laag stroomverbruik te realiseren.

Spin-baankoppeling is een complexe mix van kwantumfysica en relativiteit, maar het wordt een beetje gemakkelijker te begrijpen door je een ronde voetbal voor te stellen. "Als een voetballer de bal trapt, het vliegt in een rechte baan, " legt Denis Maryenko van het RIKEN Center for Emergent Matter Science uit. "Maar als de speler de bal wat rotatie geeft, of draaien, zijn pad buigt." De baan van de bal en zijn draaiende beweging zijn met elkaar verbonden. Als de draairichting wordt omgekeerd, het pad van de bal buigt in de tegenovergestelde richting.

In tegenstelling tot voetballen, elektronen interageren ook met elkaar:twee negatief geladen deeltjes stoten elkaar af, bijvoorbeeld. Deze wederzijdse afstoting en de spin-baaninteractie concurreren met elkaar:de eerste kan de spin van een elektron op één lijn brengen met die van andere elektronen, terwijl de laatste probeert de spin van een elektron af te stemmen op zijn beweging.

"Dit samenspel heeft de laatste tijd veel belangstelling gewekt, omdat het zou kunnen leiden tot het ontstaan ​​van nieuwe elektronische en spinfasen, die in toekomstige kwantumtechnologieën kunnen worden gebruikt, ", zegt Maryenko. "Het is dus belangrijk om de fundamenten van het samenspel te begrijpen." Maar het is ongelooflijk moeilijk om beide effecten tegelijkertijd te identificeren.

Nutsvoorzieningen, Maryenko en zijn collega's zijn erin geslaagd de twee effecten te ontwarren.

Ze keken naar elektronen gevangen tussen twee halfgeleiders, magnesiumzinkoxide en zinkoxide. Aangezien het systeem zeer weinig atomaire onzuiverheden had, er was een sterke interactie tussen elektronen. En de onderzoekers konden de sterkte van de spin-baankoppeling regelen door het magnesiumgehalte te variëren. "We hebben goed gekeken naar hoe de weerstand van het monster veranderde toen we een magnetisch veld aanbrachten, " zegt Maryenko. Op deze manier, ze waren in staat om handtekeningen te identificeren van zowel de spin-baan als de wederzijdse afstoting als gevolg van de ladingen van de elektronen.

Dit materiaalsysteem van hoge kwaliteit vertegenwoordigt dus een geweldige bron voor het testen van theoretische voorspellingen en opent de weg om spintronische verschijnselen te ontwikkelen in regimes van sterke elektronencorrelatie.