En forskargrupp ledd av Paul Scherrer Institute har spektroskopiskt observerat fraktioneringen av elektronisk laddning i en järnbaserad metallisk ferromagnet. Experimentell observation av fenomenet är inte bara av grundläggande betydelse. Eftersom det förekommer i en legering av vanliga metaller vid tillgängliga temperaturer, har det potential för framtida utnyttjande i elektroniska enheter. Upptäckten publiceras i tidskriften Nature .
Grundläggande kvantmekanik säger oss att den grundläggande laddningsenheten är okrossbar:elektronladdningen kvantiseras. Ändå har vi förstått att undantag finns. I vissa situationer ordnar sig elektroner kollektivt som om de var uppdelade i oberoende enheter, som var och en har en bråkdel av laddningen.
Det faktum att laddning kan fraktioneras är inte nytt:det har observerats experimentellt sedan början av 1980-talet med Fractional Quantum Hall Effect. I detta observeras konduktansen i ett system där elektroner är begränsade till ett tvådimensionellt plan kvantiseras i bråkdelar – snarare än heltals – laddningsenheter.
Halleffekten ger ett indirekt mått på laddningsfraktionering genom en makroskopisk manifestation av fenomenet:spänningen. Som sådan avslöjar den inte det mikroskopiska beteendet - dynamiken - hos fraktionerade laddningar. Forskargruppen, ett samarbete mellan institutioner i Schweiz och Kina, har nu avslöjat sådan dynamik via spektroskopi av elektroner som emitteras från en ferromagnet när de belyses av en laser.
För att fraktionera laddningar måste du ta elektroner till en främmande plats där de slutar följa normala regler. I konventionella metaller rör sig elektroner vanligtvis genom materialet, i allmänhet ignorerar varandra förutom en och annan stöt. De har en rad olika energier. Energinivåerna som de ligger i beskrivs som "spridningsband", där elektronernas kinetiska energi beror på deras momenta.
I vissa material kan vissa extrema förhållanden pressa elektroner att börja interagera och bete sig kollektivt. Platta band är områden i den elektroniska strukturen av ett material där elektronerna alla ligger i samma energitillstånd, d.v.s. där de har nästan oändliga effektiva massor. Här är elektronerna för tunga för att undkomma varandra, och starka interaktioner mellan elektroner härskar.
Sällsynta och eftertraktade platta band kan leda till fenomen inklusive exotiska former av magnetism eller topologiska faser som fraktionerade kvanthallstillstånd.
För att observera Fractional Quantum Hall Effect appliceras starka magnetfält och mycket låga temperaturer, som undertrycker elektronernas kinetiska energi och främjar starka interaktioner och kollektivt beteende.
Forskargruppen skulle kunna uppnå detta på ett annat sätt, utan tillämpning av ett starkt magnetfält:genom att skapa en gitterstruktur som minskar elektronkinetiska energier och låter dem interagera. Ett sådant galler är den japanska vävda bambu-"kagome"-mattan, som kännetecknar atomlager i ett förvånansvärt stort antal kemiska föreningar.
De gjorde sin upptäckt i Fe3 Sn2 , en sammansättning som endast består av de vanliga elementen järn (Fe) och tenn (Sn) sammansatta enligt kagome-mönstret av hörndelande trianglar.
Forskarna ville inte observera laddningsfraktionering i kagome Fe3 Sn2 . Istället var de helt enkelt intresserade av att verifiera om platta band existerade som förutspått för detta ferromagnetiska material.
Genom att använda laservinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (laser ARPES) vid universitetet i Genève med en mycket liten stråldiameter kunde de undersöka materialets lokala elektroniska struktur med en oöverträffad upplösning.
"Bandstrukturen i kagome Fe3 Sn2 är olika beroende på vilken ferromagnetisk domän du sonderar. Vi var intresserade av att se om vi, med hjälp av den mikrofokuserade strålen, kunde upptäcka inhomogeniteter i den elektroniska strukturen kopplade till domäner som tidigare hade missats", säger Sandy Ekahana, postdoktor i Quantum Technology-gruppen vid PSI och första författare till studien.
Med fokus på vissa kristalldomäner identifierade teamet en funktion som kallas elektronfickor. Dessa är områden i rörelsemängden i ett materials elektroniska bandstruktur där elektronernas energi är på ett minimum, vilket effektivt bildar fickor där elektroner "hänger ut". Här beter sig elektronerna som kollektiva excitationer eller kvasipartiklar.
Efter att ha undersökt dessa noggrant upptäckte forskarna konstiga egenskaper i den elektroniska bandstrukturen som inte helt förklarades av teorin. Laser-ARPES-mätningarna avslöjade ett dispersivt band som inte stämde överens med beräkningar av densitetsfunktionella teorin (DFT) – en av de mest etablerade metoderna för att studera elektroninteraktioner och beteenden i material.
"Det händer ganska ofta att DFT inte riktigt stämmer överens. Men bara ur en experimentell synvinkel var det här bandet extremt märkligt. Det var extremt skarpt, men så bröts det plötsligt av. Detta är inte normalt - vanligtvis är band kontinuerliga ", förklarar Yona Soh, en forskare vid PSI och motsvarande författare till studien.
Forskarna insåg att de observerade ett dispersivt band som interagerar med ett platt band, som förutspåtts existera av kollegor från EPFL. Observationen av ett platt band som interagerar med ett dispersivt band är i sig av djupt intresse:Man tror att interaktionen mellan plana och dispersiva band tillåter nya faser av materia att uppstå, såsom "marginal" metaller där elektroner inte färdas mycket längre än deras kvantvåglängd och säregna supraledare.
"Det har varit en hel del teoretisk diskussion om interaktionen mellan platta och dispersiva band, men det här är första gången som ett nytt band orsakat av denna interaktion har upptäckts spektroskopiskt", säger Soh.
Konsekvenserna av denna observation är ännu djupare. När de två banden möts hybridiserar de för att skapa ett nytt band. Det ursprungliga spridningsbandet är upptaget. Det platta bandet är obemannat eftersom det ligger ovanför Fermi-nivån – ett koncept som beskriver gränsen mellan ockuperade och lediga energinivåer. När det nya bandet skapas delas laddningen mellan det ursprungliga dispersiva bandet och det nya bandet. Det betyder att varje band bara innehåller en bråkdel av laddningen.
På detta sätt ger mätningarna av Ekahana och kollegor direkt spektroskopisk observation av laddningsfraktionering.
"Att uppnå och observera tillstånd där laddning fraktioneras är spännande inte bara ur grundforskningens perspektiv", säger Gabriel Aeppli, chef för fotonvetenskapsavdelningen vid PSI och professor vid EPFL och ETH Zürich, som föreslagit studien. "Vi observerar detta i en legering av vanliga metaller vid låga men fortfarande relativt lättillgängliga temperaturer. Detta gör det värt att överväga om det finns elektroniska enheter som kan utnyttja fraktionering."
Mer information: Yona Soh, Anomala elektroner i en metallisk kagome ferromagnet, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07085-w. www.nature.com/articles/s41586-024-07085-w
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Paul Scherrer Institute
