Imagina una carretera con dos carriles en cada dirección. Un carril es para autos lentos y el otro para autos rápidos. Para los electrones que se mueven a lo largo de un cable cuántico, los investigadores de Cambridge y Frankfurt han descubierto que también hay dos "carriles", ¡pero los electrones pueden tomar ambos al mismo tiempo!

La corriente en un alambre es transportada por el flujo de electrones. Cuando el cable es muy estrecho (unidimensional, 1D), los electrones no pueden alcanzarse entre sí, ya que se repelen fuertemente entre sí. La corriente, o energía, es transportada por ondas de compresión cuando una partícula empuja a la siguiente.

Desde hace tiempo se sabe que existen dos tipos de excitación para los electrones, ya que además de su carga tienen una propiedad llamada espín. Las excitaciones de espín y carga viajan a velocidades fijas pero diferentes, como lo predijo el modelo de Tomonaga-Luttinger hace muchas décadas. Sin embargo, los teóricos no pueden calcular qué sucede con precisión más allá de pequeñas perturbaciones, ya que las interacciones son demasiado complejas. El equipo de Cambridge ha medido estas velocidades a medida que varían sus energías y descubre que surge una imagen muy simple (ahora publicada en la revista Science Advances ). Cada tipo de excitación puede tener una energía cinética baja o alta, como los coches en una carretera, con la conocida fórmula E=1/2 mv ² , que es una parábola. Pero para girar y cargar las masas m son diferentes y, dado que las cargas se repelen y, por lo tanto, no pueden ocupar el mismo estado que otra carga, el rango de cantidad de movimiento de la carga es dos veces más amplio que el del espín. Los resultados miden la energía en función del campo magnético, que es equivalente al momento o la velocidad v , que muestra estas dos parábolas de energía, que se pueden ver en lugares hasta cinco veces la energía más alta que ocupan los electrones en el sistema.

“Es como si los autos (como cargas) viajaran en el carril lento pero sus pasajeros (como giros) fueran más rápidos, en el carril rápido”, explicó Pedro Vianez, quien realizó las mediciones para su doctorado. en el Laboratorio Cavendish de Cambridge. "¡Incluso cuando 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, en cambio, de (cuasi) partículas compuestas de espín y carga, comúnmente denominadas espinones y holones, respectivamente. Durante mucho tiempo, se creyó que estos se volvían inestables en tales altas energías, sin embargo, lo que se observa apunta exactamente a lo contrario:parecen comportarse de una manera muy similar a los electrones normales, libres y estables, cada uno con su propia masa, excepto que, de hecho, no son electrones, sino excitaciones de todo un mar de cargas o giros!" 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 llevábamos el sistema a energías más altas, por lo que mejoramos progresivamente nuestra resolución de medición para seleccionar nuevas características. Fabricamos una serie de conjuntos de cables semiconductores que van desde 1 a 18 micrones de longitud ( es decir, hasta una milésima de milímetro o aproximadamente 100 veces más delgado que un cabello humano), con tan solo 30 electrones en un cable, y los midió a 0,3 K (o en otras palabras, -272,85 ^⚬ C, diez veces más frío que el espacio exterior)."

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, produciendo un mapa de la relación entre la energía y el momento. "Esta técnica es muy similar en todos los sentidos 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 diferencia clave es que, en lugar de sondear en la superficie, nuestro sistema está enterrado cien nanómetros debajo de él”, dijo Vianez. Esto permitió a los investigadores lograr una resolución y un control sin precedentes para este tipo de experimento de espectroscopia.

Conclusión

Estos resultados ahora abren la pregunta 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 aprovechan el espín (espintrónica), que ofrecen una reducción drástica (¡en tres órdenes de magnitud!) del consumo de energía de un transistor, mejorando simultáneamente nuestra comprensión de la materia cuántica y ofreciendo una nueva herramienta para la ingeniería de materiales cuánticos. + Explora más

El simulador cuántico muestra cómo partes de los electrones se mueven a diferentes velocidades en 1D