Credito:sorgente luminosa a diamante
Il materiale recentemente scoperto K 2 Cr 3 Come 3 ha una struttura costituita da catene parallele di Cr-As, che offre l'opportunità di studiare il comportamento esotico che si prevede si verifichi quando gli elettroni sono effettivamente confinati a muoversi solo in una dimensione. Le sue proprietà peculiari, avere uno stato metallico insolito prima di diventare superconduttore a 7 K, hanno incuriosito i ricercatori su come descrivere al meglio gli elettroni di conduzione nel sistema.
In una recente pubblicazione in Lettere di revisione fisica , scienziati della Diamond Light Source, in collaborazione con i partner di ISIS Neutron &Muon Source e università britanniche e internazionali, utilizzato la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES) (I05) per eseguire con successo le prime misurazioni di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta di K 2 Cr 3 Come 3 . Hanno rilevato una caratteristica firma di un liquido Tomonoga-Luttinger, che è il modello teorico per gli elettroni in un cristallo unidimensionale. Queste misurazioni confermano che l'immagine unidimensionale è vera, il che rende ancora più intrigante la comparsa della superconduttività nel sistema.
Idee diverse in una dimensione
I fisici della materia condensata hanno diversi modelli per il comportamento degli elettroni all'interno dei solidi. Spesso è conveniente pensare che gli elettroni siano strettamente legati a un particolare sito atomico. In altri casi, pensano che gli elettroni vengano "delocalizzati":gli elettroni sono liberi di saltare da un sito all'altro. In tal caso gli elettroni interagiscono fortemente con gli ioni nel reticolo e tra loro, che si trasforma rapidamente in un problema di meccanica quantistica a molti corpi molto complesso. Però, nel campo si intende che gli stati che emergono da questo problema entangled sono chiamati 'quasiparticelle', che si comportano in qualche modo come i singoli elettroni ma potrebbero avere una "massa effettiva" diversa da quella di un elettrone libero. Questo concetto è un elemento costitutivo della nostra comprensione dei metalli e dei semiconduttori, e sarà familiare a qualsiasi fisico universitario. Ma l'immagine delle quasiparticelle, che funziona così bene per i materiali 3-D e 2-D, teoricamente si scompone in una dimensione.
Figura 2:misurazioni ARPES delle dispersioni elettroniche quasi-1D in K2Cr3As3, mostrando un esaurimento di intensità quando le bande si avvicinano a zero energia di legame. Credito:sorgente luminosa a diamante
In effetti esiste una descrizione teorica ben consolidata per gli elettroni in un cristallo unidimensionale, noto come "liquido Tomonoga-Luttinger". In questo scenario, non si considera più il moto dei singoli elettroni, ma invece gli elettroni si muovono collettivamente, con moto ondulatorio. "Puoi pensarla come una discoteca del sesto anno di scuola, " ha detto il dottor Matthew Watson, l'autore principale dello studio. "Di solito ognuno fa le sue cose, ogni tanto si scontrano, ma alla fine arriva il momento in cui tutti si riuniscono per creare una linea di conga, che prende vita propria».
Prove per uno stato liquido di Tomonoga-Luttinger in K . quasi unidimensionale 2 Cr 3 Come 3
La domanda sperimentale è se qualcosa di simile ai risultati matematici per una dimensione possa esistere in un vero cristallo, e poi anche per scoprire quali proprietà fisiche potrebbero emergere da questo. Il materiale recentemente scoperto K 2 Cr 3 Come 3 offre una nuova opportunità per tali indagini. I cristalli di questo materiale sono ovviamente oggetti tridimensionali, formando lunghi aghi. Però, i cristalli sono costituiti da strutture a catena parallele costruite dagli atomi di Cr e As, in modo che vi sia chiaramente una direzione preferita nel sistema. Ai fisici piace chiamare tali sistemi "quasi unidimensionali". La domanda è; gli elettroni di conduzione si comportano come se si trovassero in un sistema veramente unidimensionale, o il sistema avrebbe stati di quasiparticelle dopo tutto?
Il dottor Watson e i suoi collaboratori hanno utilizzato la tecnica della spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta per studiare gli stati elettronici in K 2 Cr 3 Come 3 . in primo luogo, utilizzando le capacità ad alta risoluzione della linea di luce I05 di Diamond, stabilirono le 'dispersioni' degli stati elettronici, cioè i modi consentiti agli elettroni di muoversi all'interno del cristallo, e mostrò che questo era interamente unidimensionale. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che non avevano alcuna intensità nelle misurazioni per gli stati di energia più bassa. "Nel quadro della quasiparticella, ci aspetteremmo di trovare stati elettronici fino alle energie di legame più basse", ha affermato il dott. Watson, "ma invece abbiamo visto un totale esaurimento di questi stati nella nostra misurazione". Questa osservazione conferma che l'immagine della quasiparticella non si applica a K 2 Cr 3 Come 3 , ma può essere naturalmente inteso nel contesto di un liquido Tomonoga-Luttinger.
