Schematisk över förväntade ledande banor där elektroner kan flöda vid gränserna mellan regioner med motsatta orienteringar av elektronbanor. Kredit:Ali Yazdani forskargrupp vid Princeton University.
Princeton -forskare har visat ett nytt sätt att skapa kontrollerbara "kvanttrådar" i närvaro av ett magnetfält, enligt en ny studie publicerad i Natur .
Forskarna upptäckte kanaler för ledande elektroner som bildas mellan två kvanttillstånd på ytan av en vismutkristall som utsätts för ett högt magnetfält. Dessa två tillstånd består av elektroner som rör sig i elliptiska banor med olika orienteringar.
Till lagets förvåning, de fann att strömflödet i dessa kanaler kan slås på och av, gör dessa kanaler till en ny typ av kontrollerbar kvanttråd.
"Dessa kanaler är anmärkningsvärda eftersom de spontant bildas vid gränserna mellan olika kvanttillstånd där elektroner kollektivt anpassar sina elliptiska banor, "sade Ali Yazdani, klassen 1909 professor i fysik och chef för Princeton Center for Complex Materials, som ledde forskningen. "Det är spännande att se hur interaktionen mellan elektroner i kanalerna starkt dikterar om de kan leda eller inte."
Forskarna använde ett skanningstunnelmikroskop - en enhet som kan avbilda enskilda atomer och kartlägga elektronernas rörelse på ett materials yta - för att visualisera elektronbeteenden på ytan av en kristall som är gjord av ren vismut.
Skannar tunnelmikroskopbild som visar en gräns mellan regioner med olika elektronbana orienteringar. Kredit:Ali Yazdani forskargrupp vid Princeton University
Med detta instrument, laget avbildade direkt elektronernas rörelser i närvaro av ett magnetfält tusentals gånger större än en kylskåpsmagnet. Tillämpningen av det stora magnetfältet tvingar elektroner att röra sig i elliptiska banor, istället för det mer typiska flödet av elektroner parallellt med riktningen för ett elektriskt fält.
Teamet fann att de ledande kanalerna bildas vid gränsen, som de kallar en dalpolariserad domänvägg, mellan två områden på kristallen där elektronbanorna plötsligt byter orientering.
Mallika Randeria, en doktorand vid Institutionen för fysik, som utförde experimenten, sade:"Vi upptäcker att det finns två- och fyrfiliga kanaler där elektronerna kan flöda, beroende på det exakta värdet av magnetfältet. "Hon och hennes kollegor observerade att när elektroner är inställda för att röra sig i en fyrfilig kanal, de fastnar, men de kan flyta obehindrat när de är begränsade till endast en tvåfilig kanal.
När jag försöker förstå detta beteende, forskarna avslöjade nya regler genom vilka kvantmekanikens lagar dikterar frånstötning mellan elektroner i dessa flerkanaliga kvanttrådar. Medan det större antalet körfält verkar tyder på bättre konduktivitet, avstötningen mellan elektroner får kontraintuitivt att byta körfält, Byt riktning, och fastnar, vilket resulterar i isolerande beteende. Med färre kanaler, elektroner har inget alternativ att byta körfält och måste överföra elektrisk ström även om de måste röra sig "genom" varandra-ett kvantfenomen som bara är möjligt i sådana endimensionella kanaler.
Liknande skyddad ledning sker längs gränserna för så kallade topologiska tillstånd av materia, som var föremål för Nobelpriset 2016 som tilldelades Princetons F. Duncan Haldane, Sherman Fairchild University professor i fysik. Den teoretiska förklaringen till det nya fyndet bygger på tidigare arbete som utförts av två medlemmar i teamet, Siddharth Parameswaran, som då var doktorand vid Princeton och nu är docent i fysik vid Oxford University, och Princetons Shivaji Sondhi, professor i fysik, och medarbetare.
"Även om några av de teoretiska idéer vi använde har funnits ett tag, det är fortfarande en utmaning att se hur de passar ihop för att förklara ett faktiskt experiment, och en riktig spänning när det händer, "Parameswaran sa." Detta är ett perfekt exempel på hur experiment och teori fungerar parallellt:Utan de nya experimentella data hade vi aldrig återkommit till vår teori, och utan den nya teorin hade det varit svårt att förstå experimenten. "
