Elektronai vienu metu užima greitąsias ir lėtas juostas.

Elektronai vienu metu užima greitąsias ir lėtas juostas.

1 pav. Sukimo (žalia) ir krūvio (rausvai raudona) sužadinimo parabolės. Įdėkle išsamiau parodyta apkrovos linija. Autoriai: Kembridžo universiteto Fizikos katedros Cavendish laboratorijos tyrimų grupė

Įsivaizduokite greitkelį su dviem juostomis kiekviena kryptimi. Viena juosta skirta lėtiems automobiliams, kita – greitiems automobiliams. Kvantine viela judančių elektronų atveju Kembridžo ir Frankfurto mokslininkai nustatė, kad taip pat yra dvi „juostos“, tačiau elektronai gali paimti abi vienu metu!

Srovę laidoje neša elektronų srautas. Kai laidas labai siauras (vienmatis, 1D), elektronai negali pasiekti vienas kito, nes stipriai vienas kitą atstumia. Vietoj to, srovę arba energiją neša suspaudimo bangos, kai viena dalelė stumia kitą.

Jau seniai žinoma, kad yra du elektronų sužadinimo tipai, nes be jų krūvio jie turi savybę, vadinamą pasukti. Sukimosi ir įkrovimo sužadinimai keliauja fiksuotu, bet skirtingu greičiu, kaip prieš daugelį dešimtmečių prognozavo Tomonaga-Luttinger modelis. Tačiau teoretikai negali tiksliai apskaičiuoti, kas vyksta už mažų perturbacijų, nes sąveika yra pernelyg sudėtinga. Kembridžo komanda išmatavo šiuos greičius, nes jų energija skiriasi, ir nustatė, kad susidaro labai paprastas vaizdas (dabar paskelbtas žurnale Mokslo pažanga). Kiekvienas sužadinimo tipas gali turėti mažą arba didelę kinetinę energiją, pavyzdžiui, automobiliai greitkelyje, naudojant gerai žinomą formulę E=1/2mvdu, kuri yra parabolė. Bet pasukti ir krauti mases metras jie yra skirtingi, ir kadangi krūviai atstumia vienas kitą ir todėl negali užimti tos pačios būsenos kaip kitas krūvis, krūvio impulsų diapazonas yra dvigubai platesnis nei sukimosi. Rezultatai matuoja energiją kaip magnetinio lauko funkciją, kuri yra lygi impulsui arba greičiui. vkuri rodo šias dvi energijos paraboles, kurios gali būti matomos vietose, kurios iki penkių kartų viršija didžiausią energiją, kurią elektronai užima sistemoje.

Elektronai vienu metu užima greitąsias ir lėtas juostas.

2 pav. Sukimas (žalias) ir įkrovimas (“holonas”, purpurinė) 1D laidoje. Autoriai: Kembridžo universiteto Fizikos katedros Cavendish laboratorijos tyrimų grupė

„Atrodo, kad automobiliai (pavyzdžiui, kroviniai) važiavo lėta juosta, bet jų keleiviai (pavyzdžiui, posūkiai) buvo greitesni, – aiškino Pedro Vianezas, atlikęs matavimus doktorantūroje. Cavendish laboratorijoje Kembridže. „Net kai automobiliai ir keleiviai sulėtina ar padidina greitį, jie lieka vienas nuo kito!

“Įsidėmėtina tai, kad mes jau nekalbame apie elektronus, o apie (kvazi)daleles, sudarytas iš sukimosi ir krūvio, paprastai vadinamas atitinkamai spinonais ir holonais. Ilgą laiką buvo manoma, kad jie tampa nestabilūs tokiame aukštyje. Tačiau tai, kas stebima, rodo visiškai priešingą: atrodo, kad jos elgiasi labai panašiai kaip normalūs, laisvi ir stabilūs elektronai, kurių kiekvienas turi savo masę, išskyrus tai, kad iš tikrųjų tai ne elektronai, o jaudinantys visa jūra krūvių ar posūkių!” – sakė Frankfurto Gėtės universiteto darbui vadovavęs teoretikas Oleksandras Cipliatjevas.

„Šis dokumentas yra daugiau nei dešimtmetį trukusio eksperimentinio ir teorinio darbo vienmačių sistemų fizikos srityje kulminacija“, – sakė eksperimentinei grupei vadovavęs Chrisas Fordas. “Mums visada buvo smalsu sužinoti, kas atsitiktų, jei sistemą pakeistume į didesnę energiją, todėl laipsniškai tobulinome matavimo skiriamąją gebą, kad išsirinktume naujas funkcijas. Pagaminome puslaidininkinių vielų rinkinių, kurių ilgis svyruoja nuo 1 iki 18 mikronų (es). tarkim, iki tūkstantosios milimetro dalies arba maždaug 100 kartų plonesnis už a žmogaus plaukai), tik 30 elektronų ant laido ir išmatavo juos esant 0,3 K (arba, kitaip tariant, -272,85 C, dešimt kartų šaltesnis nei kosmosas).”

Elektronai vienu metu užima greitąsias ir lėtas juostas.

3a pav. Nuskaitomos įrenginio elektroninės mikrografijos, kuriose rodomi įvairūs vartai, naudojami 1D laidams apibrėžti (1 dalis). Autoriai: Kembridžo universiteto Fizikos katedros Cavendish laboratorijos tyrimų grupė

Išsami informacija apie eksperimentinę techniką

Elektronai tuneliu iš 1D laidų į gretimas dvimates elektronų dujas, kurios veikia kaip spektrometras ir sudaro energijos ir impulso santykio žemėlapį. „Ši technika visais atžvilgiais labai panaši į kampinę skiriamąją gebą fotoemisijos spektroskopija (ARPES), kuris yra dažniausiai naudojamas metodas medžiagų juostos struktūrai nustatyti kondensuotų medžiagų fizikoje. Pagrindinis skirtumas yra tas, kad užuot zondavęs paviršių, mūsų sistema yra palaidota šimtu nanometrų žemiau“, – sakė Vianezas. Tai leido tyrėjams pasiekti precedento neturinčią skiriamąją gebą ir tokio tipo spektroskopijos eksperimento kontrolę.

Elektronai vienu metu užima greitąsias ir lėtas juostas.

3b pav. Nuskaitomos įrenginio elektroninės mikrografijos, kuriose rodomi įvairūs vartai, naudojami 1D laidams apibrėžti (2 dalis). Autoriai: Kembridžo universiteto Fizikos katedros Cavendish laboratorijos tyrimų grupė

išvada

Šie rezultatai dabar atveria klausimą, ar šis visos elektronų jūros sukimosi krūvio atskyrimas išlieka tvirtas už 1D, pavyzdžiui, aukštos temperatūros superlaidžiose medžiagose. Dabar jis taip pat gali būti taikomas sukimosi įjungimo loginiams įrenginiams (spintronikams), kurie siūlo drastišką (trimis dydžiu!) sumažinimą Energija tranzistoriaus sunaudojimą, tuo pačiu gerinant mūsų supratimą apie kvantinę medžiagą ir siūlont naują kvantinių medžiagų inžinerijos įrankį.


Kvantinis simuliatorius parodo, kaip elektronų dalys juda skirtingu greičiu 1D


Daugiau informacijos:
Pedro MT Vianez ir kt., Stebėjimas nuo sukimosi krūvio atskirtų Fermio jūrų stipriai koreliuotame vienmačiame laidininke, Mokslo pažanga (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm2781

Citata: elektronai vienu metu važiuoja greitosiomis ir lėtomis juostomis (2022 m. birželio 17 d.) Gauta 2022 m. birželio 19 d. iš https://phys.org/news/2022-06-electrons-fast-lanes.html

Šis dokumentas yra saugomas autorių teisių. Išskyrus bet kokius sąžiningus sandorius privačiais studijų ar tyrimų tikslais, jokia dalis negali būti atkuriama be raštiško leidimo. Turinys pateikiamas tik informaciniais tikslais.

Leave a Reply

Your email address will not be published.