Crédito:Fuente de luz de diamante
El material recientemente descubierto K 2 Cr 3 Como 3 tiene una estructura que consta de cadenas paralelas de Cr-As, lo que brinda la oportunidad de estudiar el comportamiento exótico que se predice que ocurrirá cuando los electrones estén efectivamente confinados para moverse solo en una dimensión. Sus propiedades peculiares, tener un estado metálico inusual antes de superconducir a 7 K, han despertado la curiosidad de los investigadores sobre la mejor forma de describir los electrones de conducción en el sistema.
En una publicación reciente en Cartas de revisión física , científicos de Diamond Light Source, en colaboración con socios de ISIS Neutron &Muon Source, así como universidades del Reino Unido e internacionales, utilizó la línea de luz de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES) (I05) para realizar las primeras mediciones exitosas de espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo de K 2 Cr 3 Como 3 . Detectaron una firma característica de un líquido Tomonoga-Luttinger, que es el modelo teórico de los electrones en un cristal unidimensional. Estas medidas confirman que la imagen unidimensional es cierta, lo que hace que la aparición de superconductividad en el sistema sea aún más intrigante.
Diferentes ideas en una dimensión
Los físicos de la materia condensada tienen varios modelos para el comportamiento de los electrones dentro de los sólidos. A menudo es conveniente pensar que los electrones están estrechamente ligados a un sitio atómico particular. En otros casos, piensan que los electrones están "deslocalizados":los electrones son libres de saltar de un sitio a otro. En ese caso, los electrones interactúan fuertemente con los iones en la red y entre sí, que rápidamente se convierte en un problema de mecánica cuántica de muchos cuerpos muy complejo. Sin embargo, en el campo se entiende que los estados que emergen de este enredado problema se denominan 'cuasipartículas', que se comportan de alguna manera como electrones individuales pero pueden tener una "masa efectiva" que es diferente de la de un electrón libre. Este concepto es un componente básico de nuestra comprensión de los metales y los semiconductores, y será familiar para cualquier físico de pregrado. Pero la imagen de las cuasipartículas, que funciona tan bien para materiales 3-D y 2-D, teóricamente se descompone en una dimensión.
Figura 2:Medidas ARPES de las dispersiones electrónicas cuasi-1D en K2Cr3As3, mostrando un agotamiento de la intensidad a medida que las bandas se acercan a la energía de enlace cero. Crédito:Fuente de luz de diamante
De hecho, existe una descripción teórica bien establecida para los electrones en un cristal unidimensional, conocido como el 'líquido Tomonoga-Luttinger'. En este escenario, ya no se considera el movimiento de electrones individuales, pero en cambio los electrones se mueven colectivamente, con movimiento ondulatorio. "Puedes pensar en ello como una discoteca escolar de sexto año, "dijo el Dr. Matthew Watson, el autor principal del estudio. "Por lo general, todo el mundo hace lo suyo ocasionalmente chocando entre sí, pero finalmente llega el momento en que todos se juntan para crear una línea de conga, que cobra vida propia ".
Evidencia de un estado líquido de Tomonoga-Luttinger en K cuasi-unidimensional 2 Cr 3 Como 3
La pregunta experimental es si algo parecido a los resultados matemáticos para una dimensión puede existir en un cristal real, y luego también descubrir qué propiedades físicas podrían surgir de esto. El material recientemente descubierto K 2 Cr 3 Como 3 brinda una nueva oportunidad para tales investigaciones. Los cristales de este material son, por supuesto, objetos tridimensionales, formando largas formas de agujas. Sin embargo, Los cristales consisten en estructuras paralelas en forma de cadenas construidas a partir de átomos de Cr y As, de modo que hay claramente una dirección preferida en el sistema. A los físicos les gusta llamar a estos sistemas "cuasi-unidimensionales". La pregunta es; ¿Se comportan los electrones de conducción como si estuvieran en un sistema verdaderamente unidimensional? ¿O el sistema tendría estados de cuasipartículas después de todo?
El Dr. Watson y sus colaboradores utilizaron la técnica de la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo para investigar los estados electrónicos en K 2 Cr 3 Como 3 . Primeramente, mediante el uso de las capacidades de alta resolución de la línea de luz I05 en Diamond, establecieron las 'dispersiones' de los estados electrónicos, es decir, las formas permitidas para que los electrones se muevan dentro del cristal, y demostró que esto era completamente unidimensional. Además, los investigadores encontraron que no tenían ninguna intensidad en las mediciones para los estados de energía más bajos. "En la imagen de cuasipartículas, esperaríamos encontrar estados electrónicos hasta las energías de enlace más bajas ", dijo el Dr. Watson, "pero en cambio vimos un agotamiento total de estos estados en nuestra medición". Esta observación confirma que la imagen de las cuasipartículas no se aplica a K 2 Cr 3 Como 3 , pero puede entenderse naturalmente en el contexto de un líquido Tomonoga-Luttinger.
