Kvant mexanikası bizə deyir ki, əsas yük vahidi qırılmazdır, lakin istisnalar mövcuddur.

Paul Scherrer İnstitutunun rəhbərlik etdiyi tədqiqat qrupu dəmir əsaslı metal ferromaqnitdə elektron yükün fraksiyalaşdırılmasını spektroskopik olaraq müşahidə etdi. Fenomenin eksperimental müşahidəsi təkcə fundamental əhəmiyyət kəsb etmir. Əlçatan temperaturda adi metalların ərintisində göründüyü üçün gələcəkdə elektron cihazlarda istifadə üçün potensiala malikdir. Bu kəşf Nature jurnalında dərc olunub .

Əsas kvant mexanikası bizə deyir ki, əsas yük vahidi qırılmazdır: elektron yükü kvantlanır. Bununla belə, istisnaların mövcud olduğunu başa düşdük. Bəzi hallarda elektronlar, sanki hər biri yükün bir hissəsinə malik olan müstəqil varlıqlara bölünmüş kimi kollektiv şəkildə düzülür.

Yükün fraksiyalaşdırıla bilməsi faktı yeni deyil: o, 1980-ci illərin əvvəllərindən etibarən Fraksiya Kvant Hall Effekti ilə eksperimental olaraq müşahidə edilmişdir. Burada elektronların ikiölçülü müstəvi ilə məhdudlaşdığı sistemin keçiriciliyinin tam ədəd deyil, fraksiya yük vahidlərində kvantlaşdırıldığı müşahidə edilir.

Hall Effekti, fenomenin makroskopik təzahürü vasitəsilə yüklərin fraksiyalaşdırılmasının dolayı ölçüsünü təmin edir: gərginlik. Beləliklə, fraksiya yüklərinin mikroskopik davranışını – dinamikasını – aşkar etmir. İsveçrə və Çindəki qurumlar arasında əməkdaşlıq olan tədqiqat qrupu indi lazerlə işıqlandırıldıqda ferromaqnitdən yayılan elektronların spektroskopiyası vasitəsilə belə dinamikanı aşkar edib.

Elektronları Qəribə Davranışlara İlə

Yükləri fraksiyalaşdırmaq üçün elektronları normal qaydalara əməl etməyi dayandırdıqları qəribə bir yerə aparmalısınız. Ənənəvi metallarda elektronlar adətən materialın içərisindən hərəkət edir, ümumiyyətlə bir-birlərinə məhəl qoymurlar. Onlar bir sıra müxtəlif enerjilərə malikdirlər. Onların yerləşdiyi enerji səviyyələri elektronların kinetik enerjisinin momentindən asılı olduğu “dispersiv zolaqlar” kimi təsvir edilir.

Bəzi materiallarda müəyyən ekstremal şərait elektronları qarşılıqlı əlaqəyə və kollektiv davranmağa sövq edə bilər. Yastı zolaqlar materialın elektron strukturunda elektronların hamısının eyni enerji vəziyyətində olduğu, yəni, demək olar ki, sonsuz effektiv kütlələrə malik olduğu bölgələrdir. Burada elektronlar bir-birindən qaça bilməyəcək qədər ağırdır və elektronlar arasında güclü qarşılıqlı təsir hökm sürür. Nadir və axtarılan düz zolaqlar ekzotik maqnit formaları və ya fraksiya kvant Hall vəziyyətləri kimi topoloji fazalar da daxil olmaqla hadisələrə səbəb ola bilər.

Fraksiya Kvant Hall Effektini müşahidə etmək üçün elektronların kinetik enerjisini sıxışdıran və güclü qarşılıqlı təsirləri və kollektiv davranışı təşviq edən güclü maqnit sahələri və çox aşağı temperaturlar tətbiq olunur.

Tədqiqat qrupu buna güclü maqnit sahəsi tətbiq etmədən fərqli bir şəkildə nail ola bilərdi: elektronların kinetik enerjilərini azaldan və onların qarşılıqlı təsirinə imkan verən qəfəs strukturu yaratmaqla. Belə bir qəfəs, təəccüblü dərəcədə çox sayda kimyəvi birləşmədə atom təbəqələrini xarakterizə edən Yapon toxunmuş bambuk “kaqome” döşəyidir. Onlar öz kəşfləriniFe ₃ Sn ₂ , yalnız ümumi elementlərdən ibarət olan birləşmə dəmir (Fe) və qalay (Sn) künc paylaşma üçbucaqlarının kaqome nümunəsinə uyğun olaraq yığılmışdır.

Lazer ARPES daha yaxından baxmağa imkan verir

_{Tədqiqatçılar kagome Fe 3} Sn ₂ -də yük fraksiyalaşmasını müşahidə etməyi qarşısına məqsəd qoymadılar . Bunun əvəzinə, onlar sadəcə olaraq bu ferromaqnit material üçün proqnozlaşdırıldığı kimi düz zolaqların olub olmadığını yoxlamaqda maraqlı idilər.

Çox kiçik şüa diametri ilə Cenevrə Universitetində lazer bucağı ilə həll edilmiş fotoemissiya spektroskopiyasından (lazer ARPES) istifadə edərək, onlar materialın yerli elektron strukturunu görünməmiş bir qətnamə ilə araşdıra bildilər.

_{“Kagome Fe 3} Sn ₂ -də zolaq quruluşu hansı ferromaqnit sahəsini araşdırdığınızdan asılı olaraq fərqlidir. Mikrofokuslu şüadan istifadə edərək elektron strukturda əvvəllər buraxılmış domenlərlə əlaqəli qeyri-homogenlikləri aşkar edib-etməməyimizlə maraqlandıq,” PSI-da Quantum Technology qrupunun doktorantura elmi işçisi və ilk müəllif Sandy Ekahana deyir. öyrənmək.

Elektron cibləri və toqquşma lentləri

Müəyyən kristal domenlərinə diqqət yetirən komanda elektron ciblər kimi tanınan bir xüsusiyyət müəyyən etdi. Bunlar materialın elektron zolağı strukturunun impuls məkanında elektronların enerjisinin minimum olduğu və elektronların “asıldığı” cibləri əmələ gətirən bölgələrdir. Burada elektronlar kollektiv həyəcanlar və ya kvazirəciklər kimi davranırlar.

Bunları yaxından araşdıran tədqiqatçılar elektron lent strukturunda nəzəriyyə ilə tam izah olunmayan qəribə xüsusiyyətlər aşkar ediblər. Lazer ARPES ölçmələri materialda elektron qarşılıqlı təsirləri və davranışları öyrənmək üçün ən köklü üsullardan biri olan sıxlıq funksional nəzəriyyəsi (DFT) hesablamalarına uyğun gəlməyən bir dispersiv zolaq aşkar etdi. “Çox vaxt olur ki, DFT tam uyğun gəlmir. Ancaq eksperimental baxımdan bu qrup son dərəcə özünəməxsus idi. Çox kəskin idi, amma sonra birdən kəsildi. Bu normal deyil – adətən zolaqlar davamlıdır”, – PSI-nin alimi və tədqiqatın müvafiq müəllifi Yona Soh izah edir.

Tədqiqatçılar, EPFL-dən olan həmkarları tərəfindən mövcud olacağını təxmin edilən düz bir bandla qarşılıqlı təsir göstərən dispersiv bandı müşahidə etdiklərini başa düşdülər. Yastı zolağın dispersiya zolağı ilə qarşılıqlı təsirinin müşahidəsinin özü də dərin maraq doğurur: Hesab olunur ki, yastı və dispersiv zolaqlar arasındakı qarşılıqlı təsir maddənin yeni fazalarının, məsələn, elektronların olduğundan çox uzağa getmədiyi “marjinal” metalların yaranmasına imkan verir. onların kvant dalğa uzunluğu və özünəməxsus superkeçiricilər.