Imagina una carretera con dos carriles en cada dirección. 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!

Crédito de la foto: Equipo de investigación, Laboratorio Cavendish, Departamento de Física, Universidad de Cambridge

Imagina una carretera con dos carriles en cada dirección. 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.

Desde hace mucho 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 surge una imagen muy simple (ahora publicada en la revista avances científicos). Cualquier tipo de excitación puede tener una energía cinética baja o alta, como los automóviles en una carretera, utilizando la conocida fórmula E=1/2 mv2, que es una parábola. Pero por girar y cargar las masas metro son diferentes, y dado que las cargas se repelen entre sí y, por lo tanto, no pueden asumir el mismo estado que otra carga, hay el doble de rango de impulso para las cargas que para los espines. Los resultados miden la energía en función del campo magnético, que corresponde al impulso o la velocidad. vmostrando estas dos parábolas de energía vistas en lugares hasta cinco veces la energía más alta ocupada por electrones en el sistema.

«Es como si los autos (como la carga) fueran por el carril lento, pero sus pasajeros (como los conductores de tirachinas) fueran más rápidos por el carril rápido», explicó 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!»

“Lo que es notable aquí es 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 creyó que estos se volvían inestables a energías tan altas, pero lo que se observa sugiere todo lo contrario: parecen comportarse de manera muy similar a los 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.

«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. Fabricamos 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 y los medimos en 0,3 K (o dicho de otro modo -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.

Archivos adjuntos

Documento Science Advances (embargado hasta el 17 de abril)el junio de 2022, 2 p. m. EST).

Más información, incluida una copia del documento, está disponible en línea en avances científicos Paquete de prensa en https://www.eurekalert.org/press/vancepak/.

Comuníquese con cualquier reportero que tenga problemas para acceder al periódico desde el paquete de prensa. [email protected]


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