Los electrones toman el carril rápido y el carril lento

Los electrones toman el carril rápido y el carril lento


17 de junio de 2022

(Noticias de Nanowerk) Imagina una carretera con dos carriles en cada sentido. Un carril es para autos lentos, el otro para autos rápidos. Para los electrones que viajan a lo largo de un cable cuántico, investigadores en Cambridge y Frankfurt han descubierto que también hay dos ‘pistas’, ¡pero los electrones pueden tomar ambas al mismo tiempo!

La corriente en un alambre es transportada por el flujo de electrones. Si el cable es muy estrecho (unidimensional, 1D), los electrones no pueden alcanzarse porque se repelen fuertemente. En cambio, la electricidad o la energía es transportada por ondas de compresión cuando una partícula empuja a la siguiente. Micrografías electrónicas de barrido de un dispositivo electrónico Micrografías electrónicas de barrido de un dispositivo que muestran las diferentes puertas utilizadas para definir los cables 1D. (Imagen cortesía de los investigadores)

Desde hace tiempo se sabe que existen dos formas de excitación de los electrones, ya que además de su carga, tienen una propiedad llamada espín. Las excitaciones de espín y carga se mueven a velocidades fijas pero diferentes, como predijo el modelo de Tomonaga-Luttinger hace muchas décadas.

Sin embargo, los teóricos no pueden calcular qué sucede exactamente más allá de pequeñas perturbaciones porque las interacciones son demasiado complejas. El equipo de Cambridge midió estas velocidades a diferentes energías y descubrió que pintan una imagen muy simple, que ahora se ha publicado en la revista. avances científicos («Observación de mares de Fermi de giro y carga separados en un conductor unidimensional fuertemente correlacionado»).

Cualquier tipo de excitación puede tener una energía cinética baja o alta, como los autos en una carretera, con la conocida fórmula E = 1/2 mv2, que es una parábola. Pero el espín y la carga tienen masas m diferentes, y dado que las cargas se repelen entre sí y, por lo tanto, no pueden asumir el mismo estado que otra carga, las cargas tienen el doble del rango de momento que el espín. Los resultados miden la energía en función del campo magnético, que corresponde al momento o la velocidad v, y muestran estas dos parábolas de energía vistas en lugares hasta cinco veces la energía más alta que ocupan los electrones en el sistema.

“Es como si los autos (como la carga) se movieran en el carril lento, pero sus pasajeros (como los conductores de patines) se movieran más rápido en el carril rápido”, explica Pedro Vianez, quien realizó las mediciones para su tesis doctoral en el Laboratorio Cavendish. en Cambridge. «¡Incluso si los automóviles y los pasajeros disminuyen la velocidad o aceleran, aún permanecen separados!»

“Es notable aquí que ya no estamos hablando de electrones, sino de (cuasi) partículas compuestas formadas por espín y carga, comúnmente conocidas como espinones o holones. Durante mucho tiempo se pensó que estos se volvían inestables a energías tan altas, pero lo que se está observando sugiere todo lo contrario: parecen comportarse como electrones normales, libres y estables, cada uno con su propia masa, excepto que en realidad no son electrones, sino excitaciones de todo un mar de cargas o espines!’ dijo Oleksandr Tsyplyatyev, el teórico que dirigió el trabajo en la Universidad Goethe de Frankfurt. Excitaciones de giro (verde) y carga ('holon', magenta) en un cable 1D Excitaciones de espín (verde) y carga (‘holon’, magenta) en un cable 1D. (Imagen cortesía de los investigadores)

«Este documento representa la culminación de más de una década de trabajo experimental y teórico sobre la física de los sistemas unidimensionales», dijo Chris Ford, quien dirigió el equipo experimental. «Siempre tuvimos curiosidad por ver qué sucedería si llevamos el sistema a energías más altas, por lo que gradualmente mejoramos nuestra resolución de medición para filtrar nuevas funciones. Hemos fabricado una serie de conjuntos de semiconductores a partir de cables que varían en longitud de 1 a 18 micrones (es decir, hasta una milésima de milímetro, o aproximadamente 100 veces más delgado que un cabello humano) con solo 30 electrones en un cable medido a 0,3 K ( o en otras palabras, -272,85 ⚬C, diez veces más frío que el espacio).’

Detalles de la técnica experimental

Los electrones hacen un túnel desde los cables 1D hacia un gas de electrones bidimensional adyacente, que actúa como un espectrómetro, mapeando la relación entre la energía y el momento. “Esta técnica es muy similar en todos los aspectos a la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), que es un método comúnmente utilizado para determinar la estructura de bandas de los materiales en la física de la materia condensada. La principal diferencia es que nuestro sistema está enterrado cien nanómetros más abajo que en la superficie”, dijo Vianez. Esto proporcionó a los investigadores una resolución y un control sin precedentes para este tipo de experimento de espectroscopia.

Conclusión

Estos resultados plantean ahora la cuestión de si esta separación de carga de espín de todo el mar de electrones sigue siendo robusta más allá de 1D, por ejemplo, en materiales superconductores de alta temperatura. Ahora también se puede aplicar a dispositivos lógicos que usan espín (espintrónica), que ofrecen una reducción drástica (¡en tres órdenes de magnitud!) en el consumo de energía de un transistor, al tiempo que mejoran nuestra comprensión de la materia cuántica, además de proporcionar nuevas herramientas. para la construcción de materiales cuánticos.



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