Elektron mengambil lorong cepat dan perlahan pada masa yang sama

Rajah 1. Parabola untuk pengujaan putaran (hijau) dan cas (magenta). Inset menunjukkan garis cas dengan lebih terperinci. Kredit: Pasukan Penyelidik, Makmal Cavendish, Jabatan Fizik, Universiti Cambridge

Bayangkan jalan dengan dua lorong di setiap arah. Satu lorong adalah untuk kereta perlahan, dan satu lagi untuk yang laju. Untuk elektron yang bergerak sepanjang wayar kuantum, penyelidik di Cambridge dan Frankfurt telah menemui bahawa terdapat juga dua “lorong”, tetapi elektron boleh mengambil kedua-duanya pada masa yang sama!

Arus dalam wayar dibawa oleh aliran elektron. Apabila wayar sangat sempit (satu dimensi, 1D) maka elektron tidak boleh memintas antara satu sama lain, kerana mereka menolak satu sama lain dengan kuat. Arus, atau tenaga, sebaliknya dibawa oleh gelombang mampatan apabila satu zarah menolak seterusnya.

Telah lama diketahui bahawa terdapat dua jenis pengujaan untuk elektron, kerana sebagai tambahan kepada casnya, ia mempunyai sifat yang dipanggil. berputar. Pengujaan berputar dan mengecas bergerak pada kelajuan tetap, tetapi berbeza, seperti yang diramalkan oleh model Tomonaga-Luttinger beberapa dekad yang lalu. Walau bagaimanapun, ahli teori tidak dapat mengira apa yang berlaku di luar hanya gangguan kecil, kerana interaksinya terlalu kompleks. Pasukan Cambridge telah mengukur kelajuan ini kerana tenaga mereka berbeza-beza, dan mendapati bahawa gambar yang sangat mudah muncul (kini diterbitkan dalam jurnal Kemajuan Sains). Setiap jenis pengujaan boleh mempunyai tenaga kinetik rendah atau tinggi, seperti kereta di jalan raya, dengan formula yang terkenal E=1/2 mv2, iaitu parabola. Tetapi untuk berputar dan mengecas jisim m adalah berbeza, dan, memandangkan cas menolak dan oleh itu tidak boleh menduduki keadaan yang sama dengan cas lain, terdapat julat momentum dua kali lebih lebar untuk cas berbanding putaran. Hasilnya mengukur tenaga sebagai fungsi medan magnet, yang bersamaan dengan momentum atau kelajuan vmenunjukkan dua parabola tenaga ini, yang boleh dilihat di tempat-tempat sehingga lima kali ganda tenaga tertinggi yang diduduki oleh elektron dalam sistem.

Elektron mengambil lorong cepat dan perlahan pada masa yang sama

Rajah 2. Pengujaan putaran (hijau) dan cas (‘holon’, magenta) dalam wayar 1D. Kredit: Pasukan Penyelidik, Makmal Cavendish, Jabatan Fizik, Universiti Cambridge

“Seolah-olah kereta (seperti caj) bergerak di lorong perlahan tetapi penumpangnya (seperti berpusing) berjalan lebih cepat, di lorong cepat,” jelas Pedro Vianez, yang menjalankan pengukuran untuk Ph.Dnya. di Makmal Cavendish di Cambridge. “Walaupun kereta dan penumpang memperlahankan atau memecut laju, mereka masih kekal berasingan!”

“Apa yang luar biasa di sini ialah kita tidak lagi bercakap tentang elektron tetapi, sebaliknya, mengenai zarah komposit (kuasi) spin dan cas-masing-masing yang digelar spinon dan holons. Untuk masa yang lama, ini dipercayai menjadi tidak stabil pada keadaan sedemikian. tenaga yang tinggi, namun apa yang diperhatikan menunjukkan sebaliknya—ia kelihatan berkelakuan dengan cara yang hampir sama dengan elektron biasa, bebas, stabil, masing-masing dengan jisimnya sendiri, kecuali ia sebenarnya bukan elektron, tetapi pengujaan seluruh lautan caj atau putaran!” kata Oleksandr Tsyplyatyev, ahli teori yang mengetuai kerja di Universiti Goethe di Frankfurt.

“Kertas kerja ini mewakili kemuncak lebih sedekad kerja eksperimen dan teori mengenai fizik sistem satu dimensi, ” kata Chris Ford, yang mengetuai pasukan eksperimen. “Kami sentiasa ingin tahu apa yang akan berlaku jika kami membawa sistem kepada tenaga yang lebih tinggi, jadi kami secara beransur-ansur menambah baik resolusi pengukuran kami untuk memilih ciri baharu. Kami mencipta satu siri tatasusunan semikonduktor wayar antara 1 hingga 18 mikron panjang ( iaitu turun kepada seperseribu milimeter atau kira-kira 100 kali lebih nipis daripada a rambut manusia), dengan sekurang-kurangnya 30 elektron dalam wayar, dan mengukurnya pada 0.3 K (atau dengan kata lain, -272.85 C, sepuluh kali lebih sejuk daripada luar angkasa).”

Elektron mengambil lorong cepat dan perlahan pada masa yang sama

Rajah 3a. Mengimbas mikrograf elektron peranti, menunjukkan pelbagai get yang digunakan untuk menentukan wayar 1D (Bahagian 1). Kredit: Pasukan Penyelidik, Makmal Cavendish, Jabatan Fizik, Universiti Cambridge

Butiran mengenai teknik eksperimen

Elektron terowong dari wayar 1D ke dalam gas elektron dua dimensi bersebelahan, yang bertindak sebagai spektrometer, menghasilkan peta hubungan antara tenaga dan momentum. “Teknik ini dalam setiap cara sangat serupa dengan penyelesaian sudut spektroskopi pelepasan foto (ARPES), iaitu kaedah yang biasa digunakan untuk menentukan struktur jalur bahan dalam fizik jirim pekat. Perbezaan utama ialah, daripada menyelidik di permukaan, sistem kami terkubur seratus nanometer di bawahnya,” kata Vianez. Ini membolehkan para penyelidik mencapai resolusi dan mengawal yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk eksperimen spektroskopi jenis ini.

Elektron mengambil lorong cepat dan perlahan pada masa yang sama

Rajah 3b. Mengimbas mikrograf elektron peranti, menunjukkan pelbagai get yang digunakan untuk menentukan wayar 1D (Bahagian 2). Kredit: Pasukan Penyelidik, Makmal Cavendish, Jabatan Fizik, Universiti Cambridge

Kesimpulan

Keputusan ini kini membuka persoalan sama ada pemisahan cas-putaran bagi seluruh lautan elektron ini kekal teguh melebihi 1D, contohnya, dalam bahan superkonduktor suhu tinggi. Ia juga kini boleh digunakan pada peranti logik yang memanfaatkan putaran (spintronics), yang menawarkan pengurangan drastik (dengan tiga urutan magnitud!) tenaga penggunaan transistor, pada masa yang sama meningkatkan pemahaman kita tentang jirim kuantum serta menawarkan alat baharu untuk bahan kuantum kejuruteraan.


Simulator kuantum menunjukkan cara bahagian elektron bergerak pada kelajuan berbeza dalam 1D


Maklumat lanjut:
Pedro MT Vianez et al, Memerhati putaran berasingan dan mengecas lautan Fermi dalam konduktor satu dimensi yang berkorelasi kuat, Kemajuan Sains (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abm2781

Disediakan oleh
Universiti Cambridge


Petikan: Elektron mengambil lorong cepat dan perlahan pada masa yang sama (2022, 17 Jun) diambil 18 Jun 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would love to say thanks to the author of this article for this outstanding material

Elektron mengambil lorong cepat dan perlahan pada masa yang sama


Visit our social media accounts and other related pageshttps://paw6.info/related-pages/