Förflyttningen av tusentals elektroner ligger bakom elektroniken. Än, allestädes närvarande som elektroner är, detaljerna i deras beteende fortsätter att störa fysiker. Ett fenomen har visat sig särskilt förbryllande:hur elektroner rör sig under påverkan av polariserade elektromagnetiska vågor.

Polarisering uppstår när vågor som elektromagnetiska vågor eller ljusvågor roterar. Elektromagnetiska fält som kallas mikrovågor har ett roterande elektriskt fält som vrids medurs eller moturs, och de flesta teorier förutspår att mikrovågor kommer att påverka rotationen av elektroner. Och ändå, experimentella studier har visat att elektroner verkar vara opåverkade av mikrovågspolarisering. Dessa teoritrotsande resultat har länge förbryllat fysiker.

En ny studie av forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) kan förklara denna skillnad. I arbetet, OIST-forskarna mätte elektrisk ström över ett tvådimensionellt plan. Genom att ändra polariseringen av mikrovågor, forskarna kunde visa att polarisering verkligen påverkar elektronernas rörelse. Deras resultat publicerades i Fysiska granskningsbrev .

"Det är naturligt att förvänta sig att effekten blir starkast när både elektroner och mikrovågsfält roterar i samma riktning, och kommer att reduceras kraftigt när deras rotationsriktningar är motsatta, sa Denis Konstantinov, senior författare på den tidningen och chef för OIST:s kvantdynamikenhet. Det är verkligen vad Konstantinov och hans team fann.

Teamet från OIST samarbetade i studien med forskare vid Institute of Low Temperature Physics and Engineering i Ukraina. Medan en kollega i Ukraina utvecklade ett matematiskt ramverk för att testa ledande teorier inom forskarnas ramar, forskare vid OIST testade dem experimentellt.

I tidigare experiment, elektronernas rörelse studerades i fasta material som halvledare. Men dessa material innehåller föroreningar som är omöjliga att eliminera och som kan störa resultatet. Så forskarna skapade ett system som nära efterliknar funktionen hos en halvledare genom att använda flytande helium. Den består av elektroner på ytan av flytande helium inneslutna i en vakuumkammare och kylda till temperaturer nära absolut noll - ungefär -273 Celsius.

"Ingenting är idealiskt i ett fast tillstånd, ", sade Konstantinov. "Det är därför vårt system är trevligt - nu kan vi eliminera alla dessa föroreningar och defekter."

Helium har en unik förmåga:det förblir en vätska, även i temperaturer som når absolut noll. Under tiden, alla andra föreningar (föroreningar i heliumet) fryser, klamrar sig fast vid behållarens väggar. Vid så låg temperatur, elektronerna på heliumets yta blir "kvantiserade" - elektronernas rörelse vinkelrätt mot vätskan "fryss ut" i ett tvådimensionellt utrymme, sa Konstantinov.

I detta system, när forskarna skickade cirkulärpolariserade mikrovågor ner genom detta lager av elektroner och fick elektronerna att rotera i samma riktning som mikrovågsfältets rotation, den uppmätta strömmen av elektroner började oscillera med det applicerade magnetfältet. När de vände om rotationen av elektroner genom att byta riktning på magnetfältet, svängningen försvagades avsevärt. Forskarna observerade samma beteende genom att vända rotationsriktningen för mikrovågsfältet samtidigt som rotationen av elektronerna hölls oförändrad.

Det betyder att elektroner verkligen påverkas av polariseringen av dessa elektromagnetiska vågor. Fortfarande, mer arbete återstår att göra för att förstå varför just dessa partiklar beter sig som de gör, sa Oleksiy Zadorozhko, första författare på tidningen och en postdoktor vid OIST.

"För tillfället kan vi ännu inte peka på vilken av de många teorierna som är den primära, " sa han. "Vårt nästa steg är en mer detaljerad studie av detta."