Egenskaper hos komplexa material bestäms ofta av samspelet mellan flera elektronegenskaper. TU Wien (Wien) har nu lyckats ta bort denna röra.

Endast vid extremt låga temperaturer gäller ordningen. Vid Wiens tekniska universitet, material kyls till nästan absolut noll, så att elektroner, som annars ockuperar olika stater helt slumpmässigt, visa vissa regelbundenheter. Men även beteendet hos sådana extremt kalla elektroner är svårt att förstå, å ena sidan eftersom elektronerna starkt påverkar varandra och inte kan beskrivas separat, och å andra sidan eftersom olika elektronegenskaper spelar en roll samtidigt. Dock, förståelsen görs nu enklare genom experiment vid TU Wien:Det var möjligt att påverka elektronernas olika egenskaper separat från varandra. Nära sammanvävda kvantfenomen kan således förstås individuellt. Resultaten har nu publicerats i tidningen PNAS .

Schackpjäser och elektroner

Tänk att vi har en stor påse schackpjäser som du lägger på ett schackbräde efter varandra tills det är fullt. Det finns olika sätt att skapa ordnade mönster:Till exempel du kan alltid placera en vit och en svart bit omväxlande. Du kan också ignorera färgerna och omväxlande placera en riddare och en torn, eller tänk på mer komplicerade ordermönster som kombinerar färg och figurtyp.

Det liknar elektroner i ett fast ämne:Som i ett schackbräde, det finns regelbundet anordnade platser där elektroner kan sitta. Och som schackpjäser, elektroner har olika egenskaper som kan användas för att skapa ordning.

"Elektronernas enklaste egenskap är deras laddning - den är ansvarig för strömmen av elektrisk ström. Men laddningen är densamma för alla elektroner, "säger professor Silke Bühler-Paschen från Institute of Solid State Physics vid TU Wien." Saker och ting blir mer intressanta om vi också överväger elektronspinnet. För snurrningen, det finns alltid två olika möjligheter. Dess magnetiska egenskaper bestäms av det regelbundna arrangemanget av elektronspinn i en fast kropp. "

Var finns elektronen? Frihetens omloppsgrad

Dock, för lokaliserade elektroner finns det en annan egenskap, en annan grad av frihet, som spelar en viktig roll:Frihetens omloppsgrad. Om en elektron är bunden till en viss atom, olika rumsliga arrangemang är möjliga. Kvantfysiken möjliggör olika geometriska samband mellan elektron och atom - och detta möjliggör också ordnade strukturer i det fasta, till exempel när många identiska atomer är arrangerade i en kristall, och var och en har en elektron som är i samma omloppstillstånd.

"Vi undersökte ett material av palladium, kisel och cerium, "säger Silke Bühler-Paschen." Vi fokuserar på elektronerna som ligger vid ceriumatomen och på ledningselektronerna, som kan röra sig fritt genom kristallen. "Med hjälp av ledningselektroner, det är möjligt att påverka elektronernas ordning vid ceriumatomen - både deras rotationsgrad av frihet och deras omloppsgrad av frihet. "Detta görs genom att skydda, "förklarar Bühler-Paschen." Ledningselektronerna kan praktiskt taget dölja både centrifugeringen och orbitalet för de fasta elektronerna, som kallas Kondo -effekten. Detta innebär att ordning inte längre är möjlig. "Som nu har visats, ordningen för dessa två frihetsgrader kan slås på och av separat vid mycket låga temperaturer - med hjälp av små magnetfältförändringar.

"Det faktum att ordning i kvantsystem kollapsar eller återkommer i vissa situationer är inte nytt, "säger Silke Bühler-Paschen." Men här har vi ett system där ordningen kan slås på och av individuellt i förhållande till två olika grader av frihet som är nära sammanvävda vid höga temperaturer-och det är ganska anmärkningsvärt. "

Denna möjlighet kan nu hjälpa till att avslöja särskilt intressanta egenskaper hos komplexa material. "Det finns skäl att anta att frihetsgraden också spelar en viktig roll i fenomenet okonventionell supraledning, "säger Silke Bühler-Paschen." Vi har nu ett nytt instrument till vårt förfogande för att bättre förstå sådana tekniskt viktiga effekter. "