Immagina una strada con due corsie in ogni direzione. Una corsia è per le auto lente e l'altra per quelle veloci. Per gli elettroni che si muovono lungo un filo quantistico, i ricercatori di Cambridge e Francoforte hanno scoperto che ci sono anche due "corsie", ma gli elettroni possono prenderle entrambe contemporaneamente!

La corrente in un filo è trasportata dal flusso di elettroni. Quando il filo è molto stretto (unidimensionale, 1D), gli elettroni non possono sorpassarsi, poiché si respingono fortemente l'un l'altro. La corrente, o energia, è invece trasportata da onde di compressione mentre una particella spinge quella successiva.

È noto da tempo che esistono due tipi di eccitazione per gli elettroni, poiché oltre alla loro carica hanno una proprietà chiamata spin. Le eccitazioni di spin e di carica viaggiano a velocità fisse, ma diverse, come previsto dal modello Tomonaga-Luttinger molti decenni fa. Tuttavia, i teorici non sono in grado di calcolare cosa accade con precisione al di là di piccole perturbazioni, poiché le interazioni sono troppo complesse. Il team di Cambridge ha misurato queste velocità al variare delle loro energie e ha scoperto che emerge un'immagine molto semplice (ora pubblicata sulla rivista Science Advances). ). Ogni tipo di eccitazione può avere energia cinetica bassa o alta, come le auto su strada, con la nota formula E=1/2 mv ² , che è una parabola. Ma per far girare e caricare le masse m sono diversi e, poiché le cariche si respingono e quindi non possono occupare lo stesso stato di un'altra carica, la gamma di quantità di moto per la carica è doppia rispetto allo spin. I risultati misurano l'energia in funzione del campo magnetico, che è equivalente alla quantità di moto o alla velocità v , mostrando queste due parabole di energia, che possono essere viste in luoghi fino a cinque volte l'energia più alta occupata dagli elettroni nel sistema.

"È come se le auto (come le tariffe) viaggiassero sulla corsia lenta ma i loro passeggeri (come i giri) procedessero più velocemente, sulla corsia di sorpasso", ha spiegato Pedro Vianez, che ha effettuato le misurazioni per il suo dottorato di ricerca. presso il Cavendish Laboratory di Cambridge. "Anche quando le auto e i passeggeri rallentano o accelerano, rimangono comunque separati!"

"Quello che è notevole qui è che non stiamo più parlando di elettroni ma, invece, di (quasi)particelle composite di spin e carica, comunemente soprannominate rispettivamente spinoni e oloni. Per molto tempo si è creduto che questi diventassero instabili a tali alte energie, tuttavia ciò che si osserva indica esattamente il contrario:sembrano comportarsi in un modo molto simile agli elettroni normali, liberi e stabili, ciascuno con la propria massa, tranne per il fatto che non sono, in effetti, elettroni, ma eccitazioni di un intero mare di cariche o giri!" ha affermato Oleksandr Tsyplyatyev, il teorico che ha guidato il lavoro alla Goethe University di Francoforte.

"Questo documento rappresenta il culmine di oltre un decennio di lavoro sperimentale e teorico sulla fisica dei sistemi unidimensionali", ha affermato Chris Ford, che ha guidato il team sperimentale. "Siamo sempre stati curiosi di vedere cosa sarebbe successo se avessimo portato il sistema a energie più elevate, quindi abbiamo progressivamente migliorato la nostra risoluzione di misurazione per individuare nuove funzionalità. Abbiamo fabbricato una serie di array semiconduttori di fili di lunghezza compresa tra 1 e 18 micron ( cioè fino a un millesimo di millimetro o circa 100 volte più sottile di un capello umano), con un minimo di 30 elettroni in un filo, e li ho misurati a 0,3 K (o in altre parole, -272,85 ^⚬ C, dieci volte più freddo dello spazio esterno)."

Dettagli sulla tecnica sperimentale

Gli elettroni passano dai fili 1D in un gas di elettroni bidimensionale adiacente, che funge da spettrometro, producendo una mappa della relazione tra energia e quantità di moto. "Questa tecnica è in tutto e per tutto molto simile alla spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), che è un metodo comunemente usato per determinare la struttura a bande dei materiali nella fisica della materia condensata. La differenza fondamentale è che, invece di sondare la superficie, il nostro sistema è sepolto cento nanometri sotto di esso", ha detto Vianez. Ciò ha consentito ai ricercatori di ottenere una risoluzione e un controllo senza precedenti per questo tipo di esperimento di spettroscopia.

Conclusione

Questi risultati ora aprono la questione se questa separazione della carica di spin dell'intero mare di elettroni rimanga robusta oltre 1D, ad esempio, nei materiali superconduttori ad alta temperatura. Ora può anche essere applicato a dispositivi logici che sfruttano lo spin (spintronica), che offrono una drastica riduzione (di tre ordini di grandezza!) del consumo di energia di un transistor, migliorando contemporaneamente la nostra comprensione della materia quantistica e offrendo un nuovo strumento per l'ingegneria dei materiali quantistici. + Esplora ulteriormente

Il simulatore quantistico mostra come parti di elettroni si muovono a velocità diverse in 1D