Een onderzoeksteam onder leiding van het Paul Scherrer Instituut heeft spectroscopisch de fractionalisatie van elektronische lading in een op ijzer gebaseerde metalen ferromagneet waargenomen. Experimentele observatie van het fenomeen is niet alleen van fundamenteel belang. Omdat het bij toegankelijke temperaturen voorkomt in een legering van gewone metalen, biedt het potentieel voor toekomstige exploitatie in elektronische apparaten. De ontdekking is gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

De fundamentele kwantummechanica vertelt ons dat de fundamentele eenheid van lading onbreekbaar is:de elektronenlading is gekwantiseerd. Toch zijn we gaan begrijpen dat er uitzonderingen bestaan. In sommige situaties rangschikken elektronen zichzelf collectief alsof ze zijn opgesplitst in onafhankelijke entiteiten, die elk een fractie van de lading bezitten.

Het feit dat lading kan worden gefractioneerd is niet nieuw:het wordt sinds het begin van de jaren tachtig experimenteel waargenomen met het Fractional Quantum Hall Effect. Hierbij wordt waargenomen dat de geleiding van een systeem waarin elektronen zijn beperkt tot een tweedimensionaal vlak, wordt gekwantiseerd in fractionele (in plaats van gehele) ladingseenheden.

Het Hall-effect biedt een indirecte maatstaf voor ladingsfractionalisatie via een macroscopische manifestatie van het fenomeen:de spanning. Als zodanig onthult het niet het microscopische gedrag – de dynamiek – van fractionele ladingen. Het onderzoeksteam, een samenwerking tussen instellingen in Zwitserland en China, heeft deze dynamiek nu onthuld via spectroscopie van elektronen die worden uitgezonden door een ferromagneet wanneer deze wordt belicht door een laser.

De elektronen tot vreemd gedrag dwingen

Om ladingen te fractioneren, moet je elektronen naar een vreemde plek brengen waar ze niet langer de normale regels volgen. Bij conventionele metalen bewegen elektronen doorgaans door het materiaal, waarbij ze elkaar over het algemeen negeren, afgezien van een enkele hobbel. Ze bezitten een scala aan verschillende energieën. De energieniveaus waarin ze liggen worden beschreven als 'dispersieve banden', waarbij de kinetische energie van de elektronen afhangt van hun moment.

In sommige materialen kunnen bepaalde extreme omstandigheden ervoor zorgen dat elektronen gaan interageren en zich collectief gaan gedragen. Platte banden zijn gebieden in de elektronische structuur van een materiaal waar de elektronen allemaal in dezelfde energietoestand liggen, dat wil zeggen waar ze een vrijwel oneindige effectieve massa hebben. Hier zijn elektronen te zwaar om aan elkaar te ontsnappen, en heersen er sterke interacties tussen elektronen.

Zeldzame en gewilde platte banden kunnen leiden tot verschijnselen zoals exotische vormen van magnetisme of topologische fasen zoals fractionele kwantum-Hall-toestanden.

Om het Fractional Quantum Hall Effect waar te nemen, worden sterke magnetische velden en zeer lage temperaturen toegepast, die de kinetische energie van elektronen onderdrukken en sterke interacties en collectief gedrag bevorderen.

Het onderzoeksteam zou dit op een andere manier kunnen bereiken, zonder de toepassing van een sterk magnetisch veld:door een roosterstructuur te creëren die de kinetische energie van elektronen vermindert en deze met elkaar laat interageren. Zo'n rooster is de Japans geweven "kagome"-mat van bamboe, die atomaire lagen karakteriseert in een verrassend groot aantal chemische verbindingen.

Ze deden hun ontdekking in Fe₃ Sn₂ , een verbinding die alleen bestaat uit de gemeenschappelijke elementen ijzer (Fe) en tin (Sn), samengesteld volgens het kagome-patroon van hoekdelende driehoeken.

Laser ARPES maakt een nadere blik mogelijk

Het was niet de bedoeling van de onderzoekers om ladingsfractionalisatie in kagome Fe₃ waar te nemen Sn₂ . In plaats daarvan waren ze eenvoudigweg geïnteresseerd in het verifiëren of er platte banden bestonden zoals voorspeld voor dit ferromagnetische materiaal.

Met behulp van laserhoekopgeloste foto-emissiespectroscopie (laser ARPES) aan de Universiteit van Genève met een zeer kleine straaldiameter konden ze de lokale elektronische structuur van het materiaal onderzoeken met een ongekende resolutie.

"De bandstructuur in Kagome Fe₃ Sn₂ is verschillend afhankelijk van het ferromagnetische domein dat u onderzoekt. We waren geïnteresseerd om te zien of we met behulp van de micro-gefocusseerde straal inhomogeniteiten in de elektronische structuur konden detecteren die gecorreleerd zijn met domeinen die eerder over het hoofd waren gezien”, zegt Sandy Ekahana, een postdoctoraal onderzoeker in de Quantum Technology-groep bij PSI en eerste auteur van de studie.

Elektronenzakken en botsende banden

Door zich op bepaalde kristaldomeinen te concentreren, identificeerde het team een ​​kenmerk dat bekend staat als elektronenzakken. Dit zijn gebieden in de momentumruimte van de elektronische bandstructuur van een materiaal waar de energie van elektronen minimaal is, waardoor feitelijk zakken worden gevormd waar elektronen 'rondhangen'. Hier gedragen de elektronen zich als collectieve excitaties of quasideeltjes.

Bij nader onderzoek ontdekten de onderzoekers vreemde kenmerken in de elektronische bandstructuur die niet volledig door de theorie konden worden verklaard. De laser-ARPES-metingen brachten een dispersieve band aan het licht, die niet overeenkwam met berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), een van de meest gevestigde methoden om elektroneninteracties en gedrag in materialen te bestuderen.

"Het komt nogal eens voor dat DFT niet helemaal overeenkomt. Maar alleen al vanuit experimenteel oogpunt was deze band buitengewoon vreemd. Hij was extreem scherp, maar viel toen plotseling af. Dit is niet normaal:meestal zijn bands continu ”, legt Yona Soh uit, een wetenschapper bij PSI en corresponderend auteur van het onderzoek.

De onderzoekers realiseerden zich dat ze een dispersieve band observeerden die interageerde met een platte band, waarvan werd voorspeld dat deze bestond door collega's van EPFL. De observatie van een platte band die interageert met een dispersieve band is op zichzelf van groot belang:er wordt aangenomen dat de interactie tussen vlakke en dispersieve banden het mogelijk maakt dat nieuwe fasen van materie ontstaan, zoals ‘marginale’ metalen waar elektronen niet veel verder reizen dan hun kwantumgolflengte en bijzondere supergeleiders.

"Er is veel theoretische discussie geweest over de interactie tussen platte en dispersieve banden, maar dit is de eerste keer dat een nieuwe band, veroorzaakt door deze interactie, spectroscopisch is ontdekt", zegt Soh.

Fractionalisering van de lading

De gevolgen van deze observatie zijn zelfs nog diepgaander. Wanneer de twee bands elkaar ontmoeten, hybridiseren ze om een ​​nieuwe band te vormen. De oorspronkelijke dispersieve band is bezet. De vlakke band is onbezet omdat deze boven het Fermi-niveau ligt - een concept dat de grens beschrijft tussen bezette en onbezette energieniveaus. Wanneer de nieuwe band wordt gecreëerd, wordt de lading verdeeld tussen de oorspronkelijke dispersieve band en de nieuwe band. Dit betekent dat elke band slechts een fractie van de lading bevat.

Op deze manier bieden de metingen van Ekahana en collega's directe spectroscopische observatie van ladingsfractionalisatie.

"Het bereiken en observeren van toestanden waarin de lading gefractioneerd is, is niet alleen opwindend vanuit het perspectief van fundamenteel onderzoek", zegt Gabriel Aeppli, hoofd van de fotonwetenschapsafdeling bij PSI en professor bij EPFL en ETH Zürich, die de studie voorstelde. "We nemen dit waar in een legering van gewone metalen bij lage maar nog steeds relatief toegankelijke temperaturen. Dit maakt het de moeite waard om te overwegen of er elektronische apparaten zijn die fractionalisatie zouden kunnen misbruiken."

Meer informatie: Yona Soh, afwijkende elektronen in een metalen kagome-ferromagneet, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07085-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07085-w

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door het Paul Scherrer Instituut