Elektronen nehmen gleichzeitig die schnelle und die langsame Spur

Stellen Sie sich eine Straße mit zwei Fahrspuren in jede Richtung vor. Eine Spur ist für langsame Autos, die andere für schnelle. Für Elektronen, die sich entlang eines Quantendrahts bewegen, haben Forscher in Cambridge und Frankfurt entdeckt, dass es auch zwei „Spuren“ gibt, aber Elektronen können beide gleichzeitig nehmen!

Strom in einem Draht wird durch den Fluss von Elektronen transportiert. Wenn der Draht sehr schmal ist (eindimensional, 1D), können sich die Elektronen nicht überholen, da sie sich stark abstoßen. Strom oder Energie wird stattdessen durch Kompressionswellen transportiert, wenn ein Teilchen auf das nächste drückt.

Es ist seit langem bekannt, dass es zwei Arten der Anregung von Elektronen gibt, da sie neben ihrer Ladung eine Eigenschaft namens Spin besitzen. Spin- und Ladungsanregungen bewegen sich mit festen, aber unterschiedlichen Geschwindigkeiten, wie vom Tomonaga-Luttinger-Modell vor vielen Jahrzehnten vorhergesagt. Theoretiker können jedoch nicht berechnen, was jenseits von nur kleinen Störungen genau passiert, da die Wechselwirkungen zu komplex sind. Das Cambridge-Team hat diese Geschwindigkeiten bei unterschiedlichen Energien gemessen und festgestellt, dass sich ein sehr einfaches Bild ergibt (jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte). Jede Art von Erregung kann mit der bekannten Formel niedrige oder hohe kinetische Energie haben, wie Autos auf einer Straße E=1/2 mv2, was eine Parabel ist. Sondern dafür, die Massen zu drehen und aufzuladen m unterschiedlich sind, und da sich Ladungen abstoßen und daher nicht denselben Zustand wie eine andere Ladung einnehmen können, gibt es einen doppelt so großen Impulsbereich für Ladungen wie für Spins. Die Ergebnisse messen die Energie als Funktion des Magnetfelds, was dem Impuls oder der Geschwindigkeit entspricht vdie diese beiden Energieparabeln zeigt, die stellenweise bis zum Fünffachen der höchsten von Elektronen im System besetzten Energie zu sehen sind.

„Es ist, als würden die Autos (wie Ladungen) auf der langsamen Spur fahren, aber ihre Passagiere (wie Schleuderer) schneller auf der Überholspur“, erklärt Pedro Vianez, der die Messungen für seine Doktorarbeit durchführte. am Cavendish Laboratory in Cambridge. „Auch wenn Autos und Passagiere langsamer oder schneller werden, bleiben sie immer noch getrennt!“

„Bemerkenswert ist, dass wir hier nicht mehr von Elektronen sprechen, sondern von zusammengesetzten (Quasi-)Teilchen aus Spin und Ladung – gemeinhin als Spinonen bzw. Holons bezeichnet. Lange Zeit glaubte man, diese würden bei solchen instabil hohe Energien, doch was beobachtet wird, deutet genau auf das Gegenteil hin – sie scheinen sich ganz ähnlich wie normale, freie, stabile Elektronen zu verhalten, jedes mit seiner eigenen Masse, außer dass sie eigentlich keine Elektronen sind, sondern Anregungen von ein ganzes Meer von Ladungen oder Drehungen!“ sagte Oleksandr Tsyplyatyev, der Theoretiker, der die Arbeit an der Goethe-Universität in Frankfurt leitete.

„Dieses Papier stellt den Höhepunkt von über einem Jahrzehnt experimenteller und theoretischer Arbeit an der Physik eindimensionaler Systeme dar“, sagte Chris Ford, der das experimentelle Team leitete. „Wir waren immer neugierig zu sehen, was passieren würde, wenn wir das System auf höhere Energien bringen würden, also haben wir unsere Messauflösung schrittweise verbessert, um neue Merkmale zu erkennen. Wir haben eine Reihe von Halbleiterarrays aus Drähten mit einer Länge von 1 bis 18 Mikrometer hergestellt das heißt bis auf einen tausendstel Millimeter oder etwa 100-mal dünner als ein menschliches Haar), mit nur 30 Elektronen in einem Draht, und maß sie bei 0,3 K (oder anders gesagt, -272,85 ⚬C, zehnmal). kälter als der Weltraum).“

Details zur Versuchstechnik

Elektronen tunneln von den 1D-Drähten in ein benachbartes zweidimensionales Elektronengas, das als Spektrometer fungiert und eine Karte der Beziehung zwischen Energie und Impuls erstellt. „Diese Technik ist in jeder Hinsicht der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) sehr ähnlich, einer häufig verwendeten Methode zur Bestimmung der Bandstruktur von Materialien in der Physik der kondensierten Materie. unser System ist hundert Nanometer darunter begraben“, sagte Vianez. Dies ermöglichte den Forschern eine für diese Art von Spektroskopie-Experiment beispiellose Auflösung und Kontrolle.

Fazit

Diese Ergebnisse eröffnen nun die Frage, ob diese Spin-Ladungs-Trennung des gesamten Elektronenmeeres über 1D hinaus robust bleibt, zB in Hochtemperatur-Supraleitermaterialien. Es kann jetzt auch auf logische Geräte angewendet werden, die den Spin (Spintronik) nutzen, die eine drastische Reduzierung (um drei Größenordnungen!) des Energieverbrauchs eines Transistors bieten und gleichzeitig unser Verständnis der Quantenmaterie verbessern sowie neue Möglichkeiten bieten Werkzeug für die Konstruktion von Quantenmaterialien.