Stel je een weg voor met twee rijstroken in elke richting. De ene rijstrook is voor langzame auto's en de andere voor snelle. Voor elektronen die langs een kwantumdraad bewegen, hebben onderzoekers in Cambridge en Frankfurt ontdekt dat er ook twee "banen" zijn, maar elektronen kunnen beide tegelijkertijd nemen!

Stroom in een draad wordt gedragen door de stroom van elektronen. Als de draad erg smal is (eendimensionaal, 1D) dan kunnen elektronen elkaar niet inhalen, omdat ze elkaar sterk afstoten. Stroom, of energie, wordt in plaats daarvan gedragen door compressiegolven als het ene deeltje op het volgende duwt.

Het is al lang bekend dat er twee soorten excitatie voor elektronen zijn, omdat ze naast hun lading een eigenschap hebben die spin wordt genoemd. Spin- en ladingsexcitaties reizen met vaste, maar verschillende snelheden, zoals vele decennia geleden voorspeld door het Tomonaga-Luttinger-model. Theoretici zijn echter niet in staat om te berekenen wat er precies gebeurt buiten kleine verstoringen, omdat de interacties te complex zijn. Het Cambridge-team heeft deze snelheden gemeten omdat hun energieën variëren, en ontdekten dat er een heel eenvoudig beeld naar voren komt (nu gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances ). Elk type excitatie kan lage of hoge kinetische energie hebben, zoals auto's op de weg, met de bekende formule E=1/2 mv ² , wat een parabool is. Maar voor spin en laad de massa's m zijn verschillend, en aangezien ladingen afstoten en dus niet dezelfde toestand kunnen innemen als een andere lading, is er een twee keer zo breed bereik van impuls voor lading als voor spin. De resultaten meten energie als een functie van het magnetische veld, wat gelijk is aan momentum of snelheid v , die deze twee energieparabolen laat zien, die te zien zijn op plaatsen tot vijf keer de hoogste energie die wordt ingenomen door elektronen in het systeem.

"Het is alsof de auto's (zoals ladingen) op de langzame rijstrook rijden, maar hun passagiers (zoals spins) sneller, op de snelle rijstrook", legt Pedro Vianez uit, die de metingen uitvoerde voor zijn Ph.D. in het Cavendish-laboratorium in Cambridge. "Zelfs wanneer de auto's en passagiers vertragen of versnellen, blijven ze gescheiden!"

"Wat hier opmerkelijk is, is dat we het niet langer over elektronen hebben, maar in plaats daarvan over samengestelde (quasi)deeltjes van spin en lading - gewoonlijk respectievelijk spinons en holons genoemd. hoge energieën, maar wat wordt waargenomen wijst precies op het tegenovergestelde - ze lijken zich op een manier te gedragen die erg lijkt op normale, vrije, stabiele elektronen, elk met hun eigen massa, behalve dat ze in feite geen elektronen zijn, maar excitaties van een hele zee van ladingen of spins!" zei Oleksandr Tsyplyatyev, de theoreticus die het werk leidde aan de Goethe-universiteit in Frankfurt.

"Dit artikel vertegenwoordigt het hoogtepunt van meer dan tien jaar experimenteel en theoretisch werk aan de fysica van eendimensionale systemen", zegt Chris Ford, die het experimentele team leidde. "We waren altijd nieuwsgierig om te zien wat er zou gebeuren als we het systeem naar hogere energieën zouden brengen, dus verbeterden we geleidelijk onze meetresolutie om nieuwe functies te ontdekken. We fabriceerden een reeks halfgeleidende arrays van draden met een lengte van 1 tot 18 micron ( dat wil zeggen tot op een duizendste van de millimeter of ongeveer 100 keer dunner dan een mensenhaar), met slechts 30 elektronen in een draad, en ze gemeten bij 0,3 K (of met andere woorden, -272,85 ^⚬ C, tien keer kouder dan de ruimte)."

Details over experimentele techniek

Elektronen tunnelen van de 1D-draden naar een aangrenzend tweedimensionaal elektronengas, dat fungeert als een spectrometer en een kaart produceert van de relatie tussen energie en momentum. "Deze techniek lijkt in alle opzichten erg op hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES), een veelgebruikte methode voor het bepalen van de bandstructuur van materialen in de fysica van de gecondenseerde materie. Het belangrijkste verschil is dat, in plaats van aan het oppervlak te tasten, ons systeem ligt er honderd nanometer onder begraven", zegt Vianez. Hierdoor konden de onderzoekers een resolutie en controle bereiken die ongekend is voor dit type spectroscopie-experiment.

Conclusie

Deze resultaten openen nu de vraag of deze spin-ladingscheiding van de hele elektronenzee robuust blijft buiten 1D, bijvoorbeeld in supergeleidende materialen bij hoge temperatuur. Het kan nu ook worden toegepast op logische apparaten die gebruikmaken van spin (spintronica), die een drastische vermindering (met drie ordes van grootte!) van het energieverbruik van een transistor bieden, en tegelijkertijd ons begrip van kwantummaterie verbeteren en een nieuwe hulpmiddel voor het construeren van kwantummaterialen. + Verder verkennen

Quantumsimulator laat zien hoe delen van elektronen met verschillende snelheden in 1D bewegen