I ett fynd som kommer att hjälpa till att identifiera exotiska kvanttillstånd, RIKEN-fysiker har sett starkt konkurrerande faktorer som påverkar en elektrons beteende i ett högkvalitativt kvantmaterial.

Elektroner har en egenskap som kallas spin, som grovt kan ses som rotationen av en elektron runt en axel. När en elektron rör sig, dess rörelse och spinn kan kopplas samman genom en effekt som kallas spin-omloppskoppling. Den här effekten är användbar eftersom den erbjuder ett sätt att externt styra en elektrons rörelse beroende på dess spin - en viktig förmåga för en framväxande teknologi som kallas spintronik, som försöker använda elektronspin för att realisera informationsbehandling med låg energiförbrukning.

Spin-omloppskoppling är en komplex blandning av kvantfysik och relativitetsteori, men det blir lite lättare att förstå genom att föreställa sig en rund fotboll. "Om en fotbollsspelare sparkar bollen, den flyger på en rak bana, " förklarar Denis Maryenko från RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Men om spelaren ger bollen lite rotation, eller snurra, dess bana böjer sig." Bollens bana och dess snurrande rörelse är sammankopplade. Om dess rotationsriktning är omvänd, bollens bana kommer att böjas i motsatt riktning.

Till skillnad från fotbollar, elektroner interagerar också med varandra:två negativt laddade partiklar stöter bort varandra, till exempel. Denna ömsesidiga repulsion och interaktionen mellan spinn och omloppsbana konkurrerar med varandra:den förra kan verka för att anpassa en elektrons spinn med andra elektroners, medan den senare försöker anpassa en elektrons spinn med dess rörelse.

"Det här samspelet har nyligen väckt stort intresse, eftersom det kan leda till uppkomsten av nya elektroniska faser och spinnfaser, som kan användas i framtida kvantteknologier, ", säger Maryenko. "Det är därför viktigt att förstå grunderna i samspelet." Men det är otroligt svårt att identifiera båda effekterna samtidigt.

Nu, Maryenko och hans kollegor har lyckats lösa de två effekterna.

De tittade på elektroner instängda mellan två halvledare, magnesiumzinkoxid och zinkoxid. Eftersom systemet hade mycket få atomära föroreningar, det var en stark interaktion mellan elektroner. Och forskarna kunde kontrollera styrkan hos spin-omloppskopplingen genom att variera magnesiuminnehållet. "Vi tittade noga på hur provmotståndet förändrades när vi applicerade ett magnetfält, säger Maryenko. På så sätt, de kunde identifiera signaturer för både spin-orbit och den ömsesidiga repulsionen på grund av elektronernas laddningar.

Detta högkvalitativa materialsystem utgör således en stor resurs för att testa teoretiska förutsägelser och det öppnar en väg för att utveckla spintroniska fenomen i starka elektronkorrelationsregimer.