Wouter Jolie och Clifford Murray vid scanningstunnelmikroskopinstrumentet för låga temperaturer, med vilken de undersöker elektronerna i en låda som bildar Tomonaga-Luttinger-vätskan. Kredit:Jeison Fischer
Ett team av fysiker vid universitetet i Köln har, för första gången, sett ett särskilt exotiskt beteende hos elektroner på atomär skala. Elektroner rör sig normalt nästan fritt genom det tredimensionella rummet. Dock, när de tvingas röra sig i bara en dimension, dvs. i en kedja av atomer, de börjar agera konstigt. Tomonaga-Luttingers flytande teori förutspådde detta för decennier sedan. I labbet, dock, detta fenomen har hittills bara visats indirekt.
Ett internationellt forskarlag under ledning av professor Dr Thomas Michely vid Kölns universitets Institute of Physics II har nu tagit fram endimensionella ledningar, så att de kan bevittna beteendet hos fångade elektroner i 1-D med scanningstunnelmikroskopet. De rapporterar om sin upptäckt i journalen Fysisk granskning X .
"1950, Den japanske fysikern och senare nobelpristagaren Shin'ichiro Tomonaga föreställde sig vad elektroner skulle göra i en metall reducerad till en dimension, det är, en kedja av enstaka atomer, " sa Michely. "De anmärkningsvärda konsekvenserna som blir när elektroner inte längre kan undvika varandra är särskilt fascinerande för oss fysiker. I en riktig 3D-kristall, deras interaktion är ganska svag eftersom de är ganska fria att röra sig i ett så "öppet" system. I 1-D, dock, elektronerna kan helt enkelt inte undvika varandra och börjar interagera starkt."
Elektroner bär normalt en laddning och ett snurr, ett kvantmekaniskt vinkelmomentum. Dock, i 1-D, de slutar bete sig som vanliga elektroner på grund av deras starka interaktion. Istället, de delar sig i två typer av kvasipartiklar som har antingen spinn eller laddning. Här beskrivs elektroner bättre som två oberoende vågor:en spinndensitetsvåg och en laddningstäthetsvåg. Detta fenomen kallas spin-laddningsseparation och är kärnan i Tomonaga-Luttingers flytande teori, uppkallad efter Tomonaga, som först formulerade det 1950, och den amerikanske teoretiske fysikern Joaquin Mazdak Luttinger, som utvecklade teorin vidare.
Den raka, nästan horisontell linje över mitten av bilden visar en 1D-tråd, bildas vid gränsytan mellan två öar av molybdendisulfid (MoS2). Tråden är cirka 70 atomer lång. Bilden eller topografen registrerades med ett scanning tunnelmikroskop vid -268°C. (b) En scanning tunneling spektroskopikarta över samma område visar en stående våg i 1D-tråden. Kredit:Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
För att kunna se denna spin-laddningsseparation lokalt för första gången, forskarna från Köln fångade den så kallade Tomonaga-Luttinger-vätskan i tråd av ändlig längd, i huvudsak låsa den i en bur. På grund av trådens ändliga längd, stående elektronvågor med diskreta energier bildas, som krävs av kvantmekaniken. Detta gör det möjligt att utforska gränserna för Luttingers och Tomonagas teorier med en outgrundlig precision under deras tid.
Forskargruppen vid Institutet för Fysik II är specialiserad på produktion och utforskning av 2D-material som grafen och monolager molybdendisulfid (MoS) 2 ). De fann det i gränssnittet mellan två MoS 2 öar, varav den ena är spegelbilden av den andra, en metalltråd av atomer bildas. Forskarna kunde visualisera de stående vågorna längs tråden och deras diskreta energier med hjälp av deras scanning tunnelmikroskop vid en temperatur på -268 grader C (5 Kelvin).
Den streckade svarta linjen över mitten av bilden indikerar positionen för en 1D-tråd, bildas vid gränsytan mellan två öar av molybdendisulfid (MoS2). Tråden är cirka 20 atomer lång. Bilden eller topografen registrerades med ett scanning tunnelmikroskop vid -268°C. (b) En spektroskopisk bild av de stående spinn- och laddningstäthetsvågorna längs tråden, som har diskreta energier. Kredit:Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
Till deras förvåning, forskarna upptäckte två uppsättningar stående vågor i tråden, medan för "normala" oberoende elektroner, endast en uppsättning hade förväntats. Nyckeln till att förklara fenomenet kom från de teoretiska fysikerna kring professor Dr Achim Rosch, även Kölns universitet:De två uppsättningarna av stående vågor representerar spinndensiteten och laddningstäthetens vågor, som Tomonaga och Luttinger förutspådde för ett halvt sekel sedan.
Forskarna planerar nu att undersöka beteendet hos elektronerna i endimensionella burar ännu närmare. För att testa gränserna för Tomonaga-Luttingers flytande teori, de vill genomföra nya experiment vid temperaturer som är mer än 10 gånger lägre (0,3 grader Kelvin) och i en förbättrad "bur".
