Att kontrollera hur elektroner zippar igenom ett material är av central betydelse för att bygga nya elektroniska enheter. Hur den elektroniska rörelsen påverkas av magnetfält är ett gammalt problem som inte har lösts helt, men har redan lett till flera fysik Nobelpriser. Nu, forskare vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg har löst ett av de långvariga problemen på området, nämligen, hur en viss symmetri kan återställas. Deras resultat publicerades just i Fysiska granskningsbrev .

Elektroner som rör sig i ett starkt magnetfält utför en cirkelrörelse på grund av Lorentz -kraften på vilken elektromagnetisk induktion och elmotorn är baserade. I kvantplanet av atomtunna tvådimensionella material, detta leder till konstiga kvanteffekter som heltalet och de fraktionerade kvantiserade Hall -effekterna, som anger att antalet Lorentz-avböjda laddningar inte är godtyckliga utan ökar i diskreta (kvantiserade) steg.

Trots stora framsteg inom området, den grundläggande beskrivningen av hur elektroner beter sig i magnetfält har förblivit något ofullständig. "Det finns ett djupt problem här. Låt oss säga att jag har en jätte magnetisk spole och genererar ett fält som är samma överallt i rymden. Elektronerna i mitt kvantark ska känna samma kraft överallt, "säger Vasil Rokaj, Ph.D. student vid MPSD -teoriavdelningen och huvudförfattare till studien. "Men vanliga läroböcker som behandlar magnetfältet tar klassiskt inte hänsyn till detta fysiska krav, " han lägger till.

Med ett team av forskare som leds av MPSD Theory Director Angel Rubio och gruppledare Michael Ruggenthaler och Michael Sentef, Rokaj och medförfattare Markus Penz satte sig för att härleda nya ekvationer som skulle lösa denna brist. "Vi visste inte ursprungligen vad vi skulle förvänta oss, "tillägger Ruggenthaler." Faktum är att vi var intresserade av ett annat problem, nämligen, hur ett kvantiserat snarare än klassiskt fält i ett så kallat hålrum påverkar den elektroniska rörelsen. "

För att uppnå detta, Rokaj var tvungen att använda formalismen för kvantelektrodynamik, som först utvecklades på 1930- och 1940 -talet för att beskriva hur elektroner och fotoner interagerar. När Rokaj skrev ner ekvationerna för elektronerna i det fasta, laget insåg att något intressant hände. "Magnetfältet i en spole består av fotoner, så i princip, vi borde också kunna beskriva det gamla problemet med vårt nya tillvägagångssätt, "säger Ruggenthaler." Överraskande nog, fältets kvantosäkerhet (eller fluktuationer), som vanligtvis inte beaktas, hjälper till att återställa den grundläggande symmetrin - att allt ska vara detsamma oavsett var i rymden vi tittar. "

Angel Rubio tillägger, "Dessa ansträngningar bevisar att vi är på rätt väg genom att ta itu med problemet på ett helt kvantiskt sätt." I hans teoriavdelning, många forskare arbetar med det stora problemet med hur fotoner förändrar materiens egenskaper-från nya kemiska reaktioner till material som kan hjälpa till att bygga framtida kvantdatorer. "Detta arbete bevisar att det alltid är värt att titta på gamla problem på nytt. och att utgå från de grundläggande principerna, "säger Rubio." Jag är säker på att ytterligare överraskningar bara väntar på att bli upptäckta. "