Wouter Jolie y Clifford Murray en el instrumento de microscopio de túnel de barrido para bajas temperaturas, con el que investigan los electrones en una caja que forman el líquido Tomonaga-Luttinger. Crédito:Jeison Fischer
Un equipo de físicos de la Universidad de Colonia tiene, por primera vez, visto un comportamiento particularmente exótico de los electrones a escala atómica. Los electrones normalmente se mueven casi libremente a través del espacio tridimensional. Sin embargo, cuando se ven obligados a moverse en una sola dimensión, es decir., en una cadena de átomos, comienzan a actuar de manera extraña. La teoría líquida de Tomonaga-Luttinger predijo esto hace décadas. En el laboratorio, sin embargo, este fenómeno hasta ahora solo se ha demostrado de forma indirecta.
Un equipo de investigación internacional dirigido por el profesor Dr. Thomas Michely en el Instituto de Física II de la Universidad de Colonia ha producido ahora cables unidimensionales, permitiéndoles presenciar el comportamiento de los electrones atrapados en 1-D con el microscopio de efecto túnel. Informan sobre su descubrimiento en la revista. Revisión física X .
"En 1950, El físico japonés y más tarde premio Nobel Shin'ichiro Tomonaga imaginó lo que harían los electrones en un metal reducido a una dimensión, es decir, una cadena de átomos individuales, ", dijo Michely." Las notables consecuencias que se producen cuando los electrones ya no pueden evitarse entre sí son particularmente fascinantes para nosotros los físicos. En un cristal tridimensional real, su interacción es bastante débil porque son bastante libres para moverse en un sistema tan "abierto". En 1-D, sin embargo, los electrones simplemente no pueden evitarse y comienzan a interactuar fuertemente ".
Los electrones normalmente tienen una carga y un giro, un momento angular de la mecánica cuántica. Sin embargo, en 1-D, dejan de comportarse como electrones normales debido a su fuerte interacción. En lugar de, se dividen en dos tipos de cuasi-partículas que tienen giro o carga. Aquí los electrones se describen mejor como dos ondas independientes:una onda de densidad de espín y una onda de densidad de carga. Este fenómeno se llama separación espín-carga y es el quid de la teoría líquida de Tomonaga-Luttinger, llamado así por Tomonaga, quien lo formuló por primera vez en 1950, y el físico teórico estadounidense Joaquin Mazdak Luttinger, quien desarrolló la teoría aún más.
El recto Una línea casi horizontal en el medio de la imagen muestra un cable 1D, formado en la interfaz de dos islas de disulfuro de molibdeno (MoS2). El cable tiene unos 70 átomos de largo. La imagen o topografía se registró con un microscopio de efecto túnel a -268 ° C. (b) Un mapa de espectroscopia de tunelización de barrido de la misma área muestra una onda estacionaria en el cable 1D. Crédito:Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
Para poder ver esta separación de espín-carga localmente por primera vez, los investigadores de Colonia atraparon el llamado líquido Tomonaga-Luttinger en un alambre de longitud finita, esencialmente encerrándolo en una jaula. Debido a la longitud finita del cable, se forman ondas de electrones estacionarias con energías discretas, como lo requiere la mecánica cuántica. Esto permite explorar los límites de las teorías de Luttinger y Tomonaga con una precisión insondable en su época.
El grupo de investigación del Instituto de Física II se especializa en la producción y exploración de materiales 2-D como el grafeno y el disulfuro de molibdeno monocapa (MoS 2 ). Descubrieron que en la interfaz de dos MoS 2 islas, uno de los cuales es la imagen especular del otro, se forma un alambre metálico de átomos. Los investigadores pudieron visualizar las ondas estacionarias a lo largo del cable y sus energías discretas con la ayuda de su microscopio de túnel de barrido a una temperatura de -268 grados C (5 Kelvin).
La línea negra discontinua en el medio de la imagen indica la posición de un cable 1D, formado en la interfaz de dos islas de disulfuro de molibdeno (MoS2). El cable tiene unos 20 átomos de largo. La imagen o topografía se registró con un microscopio de efecto túnel a -268 ° C. (b) Una imagen espectroscópica de las ondas estacionarias de densidad de carga y de espín a lo largo del cable, que tienen energías discretas. Crédito:Wouter Jolie, Clifford Murray, Thomas Michely
Para su sorpresa, los científicos descubrieron dos conjuntos de ondas estacionarias en el cable, mientras que para los electrones independientes 'normales', solo se hubiera esperado un juego. La clave para explicar el fenómeno provino de los físicos teóricos en torno al profesor Dr. Achim Rosch, también Universidad de Colonia:los dos conjuntos de ondas estacionarias representan la densidad de espín y las ondas de densidad de carga, como Tomonaga y Luttinger predijeron hace medio siglo.
Los científicos ahora planean investigar aún más de cerca el comportamiento de los electrones en jaulas unidimensionales. Para probar los límites de la teoría líquida de Tomonaga-Luttinger, quieren realizar nuevos experimentos a temperaturas 10 veces más bajas (0,3 grados Kelvin) y en una "jaula" mejorada.
