Uma equipe de físicos da Universidade de Colônia tem, pela primeira vez, visto um comportamento particularmente exótico de elétrons em escala atômica. Os elétrons normalmente se movem quase livremente pelo espaço tridimensional. Contudo, quando eles são forçados a se mover em apenas uma dimensão, ou seja, em uma cadeia de átomos, eles começam a agir estranhamente. A teoria dos líquidos Tomonaga-Luttinger previu isso décadas atrás. No laboratório, Contudo, este fenômeno até agora só foi mostrado indiretamente.

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Professor Dr. Thomas Michely no Instituto de Física II da Universidade de Colônia já produziu fios unidimensionais, permitindo-lhes testemunhar o comportamento dos elétrons presos em 1-D com o microscópio de tunelamento de varredura. Eles relatam sua descoberta no jornal Revisão Física X .

"Em 1950, O físico japonês e mais tarde ganhador do Nobel Shin'ichiro Tomonaga imaginou o que os elétrons fariam em um metal reduzido a uma dimensão, isso é, uma cadeia de átomos individuais, "disse Michely." As consequências notáveis ​​que ocorrem quando os elétrons não podem mais evitar uns aos outros são particularmente fascinantes para nós, físicos. Em um cristal 3D real, sua interação é bastante fraca porque eles são bastante livres para se movimentar em tal sistema "aberto". Em 1-D, Contudo, os elétrons simplesmente não conseguem evitar um ao outro e começam a interagir fortemente. "

Os elétrons normalmente carregam uma carga e um spin, um momento angular da mecânica quântica. Contudo, em 1-D, eles param de se comportar como elétrons normais devido à sua forte interação. Em vez de, eles se dividem em dois tipos de quase-partículas que têm spin ou carga. Aqui, os elétrons são melhor descritos como duas ondas independentes:uma onda de densidade de spin e uma onda de densidade de carga. Este fenômeno é chamado de separação de carga de spin e é o ponto crucial da teoria dos líquidos de Tomonaga-Luttinger, nomeado após Tomonaga, quem o formulou pela primeira vez em 1950, e o físico teórico americano Joaquin Mazdak Luttinger, que desenvolveu a teoria ainda mais.

Para ser capaz de ver essa separação de carga de spin localmente pela primeira vez, os pesquisadores de Colônia aprisionaram o chamado líquido Tomonaga-Luttinger em um fio de comprimento finito, essencialmente trancando-o em uma gaiola. Devido ao comprimento finito do fio, ondas eletrônicas estacionárias com formas de energias discretas, conforme exigido pela mecânica quântica. Isso permite explorar os limites das teorias de Luttinger e Tomonaga com uma precisão insondável em sua época.

O grupo de pesquisa do Instituto de Física II é especializado na produção e exploração de materiais 2-D, como grafeno e dissulfeto de molibdênio em monocamada (MoS ₂ ) Eles descobriram que na interface de dois MoS ₂ ilhas, um dos quais é a imagem espelhada do outro, forma-se um fio metálico de átomos. Os pesquisadores foram capazes de visualizar as ondas estacionárias ao longo do fio e suas energias discretas com a ajuda de seu microscópio de tunelamento de varredura a uma temperatura de -268 graus C (5 Kelvin).

Para sua surpresa, os cientistas descobriram dois conjuntos de ondas estacionárias no fio, enquanto para elétrons independentes 'normais', apenas um conjunto seria esperado. A chave para explicar o fenômeno veio dos físicos teóricos do Professor Dr. Achim Rosch, também Universidade de Colônia:Os dois conjuntos de ondas estacionárias representam a densidade de spin e as ondas de densidade de carga, como Tomonaga e Luttinger previram meio século atrás.

Os cientistas agora planejam investigar o comportamento dos elétrons em gaiolas unidimensionais ainda mais de perto. Para testar os limites da teoria dos líquidos Tomonaga-Luttinger, eles querem conduzir novos experimentos em temperaturas mais de 10 vezes mais baixas (0,3 graus Kelvin) e em uma "gaiola" aprimorada.