In una scoperta che aiuterà a identificare stati quantistici esotici, I fisici RIKEN hanno visto fattori fortemente in competizione che influenzano il comportamento di un elettrone in un materiale quantistico di alta qualità.

Gli elettroni hanno una proprietà chiamata spin, che può essere rozzamente pensato come la rotazione di un elettrone attorno a un asse. Quando un elettrone si muove, il suo movimento e lo spin possono essere collegati attraverso un effetto noto come accoppiamento spin-orbita. Questo effetto è utile perché offre un modo per controllare esternamente il movimento di un elettrone a seconda del suo spin, un'abilità vitale per una tecnologia emergente chiamata spintronica, che sta cercando di utilizzare lo spin degli elettroni per realizzare un'elaborazione delle informazioni a basso consumo energetico.

L'accoppiamento spin-orbita è un complesso mix di fisica quantistica e relatività, ma diventa un po' più facile da capire immaginando un pallone da calcio rotondo. "Se un calciatore calcia il pallone, vola su una traiettoria diritta, " spiega Denis Maryenko del RIKEN Center for Emergent Matter Science. "Ma se il giocatore fa ruotare la palla, o girare, il suo percorso si piega." La traiettoria della palla e il suo movimento rotatorio sono collegati. Se la sua direzione di rotazione è invertita, il percorso della palla si piegherà nella direzione opposta.

A differenza dei palloni da calcio, anche gli elettroni interagiscono tra loro:due particelle cariche negativamente si respingono, Per esempio. Questa mutua repulsione e l'interazione spin-orbita competono tra loro:la prima può agire per allineare lo spin di un elettrone con quello di altri elettroni, mentre quest'ultimo cerca di allineare lo spin di un elettrone con il suo movimento.

"Questa interazione ha recentemente suscitato molto interesse, poiché potrebbe portare alla nascita di nuove fasi elettroniche e di spin, che possono essere utilizzati nelle future tecnologie quantistiche, " dice Maryenko. "E 'quindi importante capire i fondamenti dell'interazione." Ma è incredibilmente difficile identificare entrambi gli effetti allo stesso tempo.

Ora, Maryenko ei suoi colleghi sono riusciti a districare i due effetti.

Hanno osservato gli elettroni intrappolati tra due semiconduttori, ossido di zinco magnesio e ossido di zinco. Poiché il sistema aveva pochissime impurità atomiche, c'era una forte interazione tra gli elettroni. E i ricercatori potrebbero controllare la forza dell'accoppiamento spin-orbita variando il contenuto di magnesio. "Abbiamo esaminato attentamente come cambiava la resistenza del campione quando applicavamo un campo magnetico, " dice Maryenko. In questo modo, sono stati in grado di identificare le firme sia dello spin-orbita che della repulsione reciproca dovuta alle cariche degli elettroni.

Questo sistema di materiali di alta qualità rappresenta quindi una grande risorsa per testare le previsioni teoriche e apre la strada allo sviluppo di fenomeni spintronici in regimi di forte correlazione elettronica.