Figur 1. Paraboler för spinn (grön) och laddning (magenta) excitationer. Infällt visar laddningslinjen mer detaljerat. Kredit:Forskarteam, Cavendish Laboratory, Institutionen för fysik, University of Cambridge
Föreställ dig en väg med två körfält i vardera riktningen. En fil är för långsamma bilar och den andra är för snabba. För elektroner som rör sig längs en kvanttråd har forskare i Cambridge och Frankfurt upptäckt att det också finns två "banor", men elektroner kan ta båda samtidigt!
Ström i en tråd bärs av flödet av elektroner. När tråden är mycket smal (endimensionell, 1D) kan elektroner inte ta om varandra, eftersom de stöter bort varandra kraftigt. Ström, eller energi, bärs istället av kompressionsvågor när en partikel trycker på nästa.
Det har länge varit känt att det finns två typer av excitation för elektroner, eftersom de förutom sin laddning har en egenskap som kallas spin. Snurr- och laddningsexitationer färdas med fasta, men olika hastigheter, som förutspåddes av Tomonaga-Luttinger-modellen för många decennier sedan. Men teoretiker kan inte beräkna exakt vad som händer utöver bara små störningar, eftersom interaktionerna är för komplexa. Cambridge-teamet har mätt dessa hastigheter eftersom deras energier varierar och finner att en mycket enkel bild framträder (nu publicerad i tidskriften Science Advances ). Varje typ av excitation kan ha låg eller hög kinetisk energi, som bilar på en väg, med den välkända formeln E=1/2 mv 2 , som är en parabel. Men för att snurra och ladda massorna m är olika, och eftersom laddningar repellerar och därför inte kan uppta samma tillstånd som en annan laddning, finns det dubbelt så brett intervall av momentum för laddning som för spinn. Resultaten mäter energi som en funktion av magnetfält, vilket är ekvivalent med momentum eller hastighet v , som visar dessa två energiparaboler, som kan ses på platser ända upp till fem gånger den högsta energin som upptas av elektroner i systemet.
Figur 2. Snurra (grön) och ladda ('holon', magenta) excitationer i en 1D-tråd. Kredit:Forskarteam, Cavendish Laboratory, Institutionen för fysik, University of Cambridge
"Det är som om bilarna (som laddningar) färdas i det långsamma körfältet men deras passagerare (som snurrar) går snabbare, i det snabba körfältet", förklarade Pedro Vianez, som utförde mätningarna för sin doktorsexamen. vid Cavendish Laboratory i Cambridge. "Även när bilarna och passagerarna saktar ner eller ökar hastigheten förblir de fortfarande åtskilda!"
"Vad som är anmärkningsvärt här är att vi inte längre talar om elektroner utan istället om sammansatta (kvasi)partiklar av spinn och laddning - vanligen kallade spinoner respektive holoner. Under lång tid troddes dessa bli instabila vid sådana höga energier, men det som observeras pekar på precis motsatsen – de verkar bete sig mycket likt normala, fria, stabila elektroner, var och en med sin egen massa, förutom att de i själva verket inte är elektroner, utan excitationer av ett helt hav av laddningar eller snurr!" sa Oleksandr Tsyplyatyev, teoretikern som ledde arbetet vid Goethe-universitetet i Frankfurt.
"Denna uppsats representerar kulmen på över ett decennium av experimentellt och teoretiskt arbete med fysik av endimensionella system", säger Chris Ford, som ledde experimentteamet. "Vi var alltid nyfikna på vad som skulle hända om vi tog systemet till högre energier, så vi förbättrade successivt vår mätupplösning för att välja ut nya funktioner. Vi tillverkade en serie halvledande ledningar med en längd från 1 till 18 mikron ( det vill säga ner till en tusendel av millimetern eller ungefär 100 gånger tunnare än ett människohår), med så få som 30 elektroner i en tråd, och mätte dem vid 0,3 K (eller med andra ord, -272,85 ⚬ C, tio gånger kallare än yttre rymden)."
Figur 3a. Skanning av elektronmikrofotografier av en enhet, som visar de olika grindarna som används för att definiera 1D-ledningarna (del 1). Kredit:Forskarteam, Cavendish Laboratory, Institutionen för fysik, University of Cambridge
Information om experimentell teknik
Elektroner tunnelerar från 1D-ledningarna in i en intilliggande tvådimensionell elektrongas, som fungerar som en spektrometer, som producerar en karta över förhållandet mellan energi och momentum. "Denna teknik är på alla sätt mycket lik vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), som är en vanlig metod för att bestämma bandstrukturen hos material inom den kondenserade materiens fysik. Den viktigaste skillnaden är att snarare än att sondera vid ytan, vårt system är begravt hundra nanometer under det, säger Vianez. Detta gjorde det möjligt för forskarna att uppnå upplösning och kontroll utan motstycke för den här typen av spektroskopiexperiment.
Figur 3b. Skanning av elektronmikrofotografier av en enhet, som visar de olika grindarna som används för att definiera 1D-ledningarna (del 2). Kredit:Forskarteam, Cavendish Laboratory, Institutionen för fysik, University of Cambridge
Slutsats
Dessa resultat öppnar nu frågan om denna spin-laddningsseparation av hela elektronhavet förblir robust bortom 1D, t.ex. i högtemperatursupraledande material. Det kan nu också tillämpas på logiska enheter som utnyttjar spinn (spintronik), som erbjuder en drastisk minskning (med tre storleksordningar!) av energiförbrukningen för en transistor, samtidigt som vi förbättrar vår förståelse av kvantmateria och erbjuder en ny verktyg för att konstruera kvantmaterial. + Utforska vidare
