Wetenschap
Fotonachtige elektronen in een vierdimensionale wereld ontdekt in een echt materiaal
Dirac-elektronen werden voorspeld door P. Dirac en ontdekt door A. Geim, die beiden respectievelijk in 1933 en 2010 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen. Dirac-elektronen gedragen zich eerder als fotonen dan als elektronen, omdat wordt aangenomen dat ze geen massa hebben, en in materialen bewegen ze met de lichtsnelheid.
Vanwege hun verschillen met standaardelektronen wordt verwacht dat Dirac-elektronen ongekende elektronische eigenschappen aan materialen zullen toevoegen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden toegepast op elektronische apparaten om berekeningen en communicatie uit te voeren met buitengewone efficiëntie en een laag energieverbruik.
Om een dergelijke technologie te ontwikkelen, moeten wetenschappers eerst de netto-eigenschappen en effecten van Dirac-elektronen begrijpen. Maar ze bestaan over het algemeen naast standaardelektronen in materialen, wat ondubbelzinnige observatie en meting verhindert.
In een recente studie gepubliceerd in Materials Advances ontdekten Ryuhei Naito en collega's een methode die selectieve observatie van de Dirac-elektronen in materialen mogelijk maakt. Met behulp van elektronenspinresonantie, om ongepaarde elektronen in materialen direct te observeren en verschillen in karakter te onderscheiden, heeft de onderzoeksgroep een methode ontwikkeld om hun werkingsgebied in de materialen en hun energieën te bepalen.
Dit laatste wordt bepaald door hoe snel ze bewegen, namelijk hun snelheid. Deze informatie vereist een vierdimensionale wereld, want deze bestaat uit posities (x, y, z) en energie (E). De onderzoeksgroep heeft het in een gemakkelijk te begrijpen schema beschreven.
Het onderzoek heeft ons begrip van Dirac-elektronen een stap vooruit gebracht. We weten nu dat hun snelheid anisotroop is en afhangt van hun richting en locatie, in plaats van van de constante lichtsnelheid.