Wouter Jolie e Clifford Murray al microscopio a scansione a effetto tunnel per basse temperature, con cui indagano gli elettroni in una scatola che formano il liquido Tomonaga-Luttinger. Credito:Jeison Fischer
Un team di fisici dell'Università di Colonia ha, per la prima volta, visto un comportamento particolarmente esotico degli elettroni su scala atomica. Gli elettroni normalmente si muovono quasi liberamente attraverso lo spazio tridimensionale. Però, quando sono costretti a muoversi in una sola dimensione, cioè., in una catena di atomi, iniziano a comportarsi in modo strano. La teoria del liquido Tomonaga-Luttinger lo prevedeva decenni fa. Nel laboratorio, però, questo fenomeno è stato finora mostrato solo indirettamente.
Un team di ricerca internazionale guidato dal Professor Dr. Thomas Michely presso l'Istituto di Fisica II dell'Università di Colonia ha ora prodotto fili unidimensionali, permettendo loro di assistere al comportamento degli elettroni intrappolati in 1-D con il microscopio a effetto tunnel. Riferiscono la loro scoperta nel diario Revisione fisica X .
"Nel 1950, Il fisico giapponese e poi premio Nobel Shin'ichiro Tomonaga ha immaginato cosa farebbero gli elettroni in un metallo ridotto a una dimensione, questo è, una catena di singoli atomi, " ha detto Michely. "Le notevoli conseguenze che derivano quando gli elettroni non possono più evitarsi sono particolarmente affascinanti per noi fisici. In un vero cristallo 3-D, la loro interazione è piuttosto debole perché sono abbastanza liberi di muoversi in un tale sistema 'aperto'. In 1-D, però, gli elettroni semplicemente non possono evitarsi l'un l'altro e iniziare a interagire fortemente."
Gli elettroni normalmente trasportano una carica e uno spin, un momento angolare quantomeccanico. Però, in 1-D, smettono di comportarsi come normali elettroni a causa della loro forte interazione. Anziché, si dividono in due tipi di quasi-particelle che hanno spin o carica. Qui gli elettroni sono meglio descritti come due onde indipendenti:un'onda di densità di spin e un'onda di densità di carica. Questo fenomeno è chiamato separazione spin-carica ed è il punto cruciale della teoria del liquido di Tomonaga-Luttinger, intitolato a Tomonaga, che lo ha formulato per primo nel 1950, e il fisico teorico americano Joaquin Mazdak Luttinger, che sviluppò ulteriormente la teoria.
Il dritto, la linea quasi orizzontale al centro dell'immagine mostra un filo 1D, formato all'interfaccia di due isole di bisolfuro di molibdeno (MoS2). Il filo è lungo circa 70 atomi. L'immagine o il topografo è stato registrato con un microscopio a effetto tunnel a -268°C. (b) Una mappa spettroscopica a effetto tunnel di scansione della stessa area mostra un'onda stazionaria nel filo 1D. Credito:Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
Per poter vedere questa separazione spin-carica localmente per la prima volta, i ricercatori di Colonia hanno intrappolato il cosiddetto liquido Tomonaga-Luttinger in un filo di lunghezza finita, essenzialmente chiudendolo in una gabbia. A causa della lunghezza finita del filo, onde di elettroni stazionarie con forma di energie discrete, come richiesto dalla meccanica quantistica. Ciò rende possibile esplorare i limiti delle teorie di Luttinger e Tomonaga con una precisione insondabile nel loro tempo.
Il gruppo di ricerca dell'Istituto di Fisica II è specializzato nella produzione e nell'esplorazione di materiali 2-D come il grafene e il bisolfuro di molibdeno monostrato (MoS 2 ). Hanno scoperto che all'interfaccia di due MoS 2 isole, uno dei quali è l'immagine speculare dell'altro, si forma un filo metallico di atomi. I ricercatori sono stati in grado di visualizzare le onde stazionarie lungo il filo e le loro energie discrete con l'aiuto del loro microscopio a scansione a effetto tunnel a una temperatura di -268 gradi C (5 Kelvin).
La linea nera tratteggiata al centro dell'immagine indica la posizione di un filo 1D, formato all'interfaccia di due isole di bisolfuro di molibdeno (MoS2). Il filo è lungo circa 20 atomi. L'immagine o il topografo è stato registrato con un microscopio a effetto tunnel a -268°C. (b) Un'immagine spettroscopica delle onde stazionarie di spin e densità di carica lungo il filo, che hanno energie discrete. Credito:Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
Con loro sorpresa, gli scienziati hanno scoperto due serie di onde stazionarie nel filo, mentre per gli elettroni indipendenti "normali", sarebbe stato previsto un solo set. La chiave per spiegare il fenomeno è venuta dai fisici teorici intorno al professor Dr. Achim Rosch, anche Università di Colonia:i due insiemi di onde stazionarie rappresentano la densità di spin e le onde di densità di carica, come predissero Tomonaga e Luttinger mezzo secolo fa.
Gli scienziati stanno ora pianificando di studiare ancora più da vicino il comportamento degli elettroni nelle gabbie unidimensionali. Per testare i limiti della teoria dei liquidi di Tomonaga-Luttinger, vogliono condurre nuovi esperimenti a temperature più di 10 volte inferiori (0,3 gradi Kelvin) e in una "gabbia" migliorata.
