Kredit:Diamond Light Source
Det nyligen upptäckta materialet K 2 Cr 3 Som 3 har en struktur som består av parallella Cr-As-kedjor, vilket ger en möjlighet att studera det exotiska beteende som förutspås inträffa när elektroner effektivt begränsas till att röra sig endast i en dimension. Dess speciella egenskaper, har ett ovanligt metalliskt tillstånd innan supraledande vid 7 K, har gjort forskare nyfikna på hur man bäst kan beskriva ledningselektronerna i systemet.
I en färsk publikation i Fysiska granskningsbrev , forskare vid Diamond Light Source, i samarbete med partners vid ISIS Neutron &Muon Source samt brittiska och internationella universitet, använde Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES) beamline (I05) för att utföra de första framgångsrika vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopimätningarna av K 2 Cr 3 Som 3 . De upptäckte en karakteristisk signatur av en Tomonoga-Luttinger-vätska, som är den teoretiska modellen för elektroner i en endimensionell kristall. Dessa mätningar bekräftar att den endimensionella bilden stämmer, vilket gör uppkomsten av supraledning i systemet ännu mer spännande.
Olika idéer i en dimension
Fysiker för kondenserad materia har flera modeller för beteendet hos elektroner inuti fasta ämnen. Ofta är det bekvämt att tänka på att elektroner är tätt bundna till en viss atomplats. I andra fall, de tänker på att elektroner "delokaliseras" – elektronerna är fria att hoppa från plats till plats. I så fall interagerar elektronerna starkt med jonerna i gittret och med varandra, som snabbt förvandlas till ett mycket komplext kvantmekaniskt problem med många kroppar. Dock, inom fältet är det underförstått att tillstånden som kommer ur detta intrasslade problem kallas "kvasipartiklar", som beter sig ungefär som enskilda elektroner men kan ha en "effektiv massa" som skiljer sig från en fri elektrons. Detta koncept är en byggsten i vår förståelse av metaller och halvledare, och kommer att vara bekant för alla grundutbildningsfysiker. Men bilden av kvasipartiklar, som fungerar så bra för 3D- och 2D-material, teoretiskt bryts ner i en dimension.
Figur 2:ARPES-mätningar av de kvasi-1D elektroniska dispersionerna i K2Cr3As3, visar en utarmning av intensitet när banden närmar sig noll bindningsenergi. Kredit:Diamond Light Source
Det finns faktiskt en väletablerad teoretisk beskrivning av elektroner i en endimensionell kristall, känd som "Tomonoga-Luttinger-vätskan". I detta scenario, man tänker inte längre på rörelsen hos enskilda elektroner, men istället rör sig elektronerna kollektivt, med vågliknande rörelse. "Du kan tänka på det som ett skoldisco för årskurs 6, " sa Dr Matthew Watson, huvudförfattaren till studien. "Vanligtvis gör alla sin egen grej, då och då stöter på varandra, men så småningom kommer tiden då alla samlas för att skapa en conga-linje, som får sitt eget liv."
Bevis för ett Tomonoga-Luttinger flytande tillstånd i kvasi-endimensionell K 2 Cr 3 Som 3
Den experimentella frågan är om något som liknar de matematiska resultaten för en dimension kan existera i en riktig kristall, och sedan också att upptäcka vilka fysikaliska egenskaper som skulle kunna komma ur detta. Det nyligen upptäckta materialet K 2 Cr 3 Som 3 ger en ny möjlighet till sådana undersökningar. Kristallerna i detta material är naturligtvis tredimensionella föremål, bildar långa nålformer. Dock, Kristallerna består av parallella kedjeliknande strukturer byggda av Cr- och As-atomerna, så att det helt klart finns en föredragen riktning i systemet. Fysiker gillar att kalla sådana system "kvasi-endimensionella". Frågan är; beter sig ledningselektronerna som om de är i ett verkligt endimensionellt system, eller skulle systemet trots allt ha kvasipartikeltillstånd?
Dr Watson och hans medarbetare använde tekniken med vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi för att undersöka de elektroniska tillstånden i K 2 Cr 3 Som 3 . För det första, genom att använda de högupplösta funktionerna hos I05 beamline på Diamond, de etablerade "spridningarna" av de elektroniska tillstånden, dvs. de tillåtna sätten för elektroner att röra sig inuti kristallen, och visade att detta var helt endimensionellt. Dessutom, forskarna fann att de inte hade någon intensitet i mätningarna alls för de lägsta energitillstånden. "I kvasipartikelbilden, vi förväntar oss att hitta elektroniska tillstånd ända ner till de lägsta bindningsenergierna", sa Dr Watson, "men istället såg vi en total utarmning av dessa tillstånd i vår mätning." Denna observation bekräftar att kvasipartikelbilden inte gäller K 2 Cr 3 Som 3 , men kan naturligtvis förstås i sammanhanget med en Tomonoga-Luttinger-vätska.
