Imagine uma estrada com duas pistas em cada sentido. Uma pista é para carros lentos e a outra é para carros rápidos. Para elétrons se movendo ao longo de um fio quântico, pesquisadores em Cambridge e Frankfurt descobriram que também existem duas "pistas", mas os elétrons podem levar as duas ao mesmo tempo!
A corrente em um fio é transportada pelo fluxo de elétrons. Quando o fio é muito estreito (unidimensional, 1D), os elétrons não podem se ultrapassar, pois se repelem fortemente. A corrente, ou energia, é transportada por ondas de compressão à medida que uma partícula empurra a próxima.

Há muito se sabe que existem dois tipos de excitação para os elétrons, pois além de sua carga eles possuem uma propriedade chamada spin. Excitações de spin e carga viajam em velocidades fixas, mas diferentes, como previsto pelo modelo Tomonaga-Luttinger muitas décadas atrás. No entanto, os teóricos são incapazes de calcular precisamente o que acontece além de pequenas perturbações, pois as interações são muito complexas. A equipe de Cambridge mediu essas velocidades à medida que suas energias são variadas e descobriu que surge uma imagem muito simples (agora publicada na revista Science Advances ). Cada tipo de excitação pode ter baixa ou alta energia cinética, como carros em uma estrada, com a conhecida fórmula E=1/2 mv ² , que é uma parábola. Mas para girar e carregar as massas m são diferentes e, como as cargas se repelem e, portanto, não podem ocupar o mesmo estado que outra carga, há duas vezes mais amplitude de momento para carga do que para spin. Os resultados medem a energia em função do campo magnético, que é equivalente ao momento ou velocidade v , mostrando essas duas parábolas de energia, que podem ser vistas em lugares até cinco vezes a energia mais alta ocupada pelos elétrons no sistema.

"É como se os carros (como cargas) estivessem andando na pista lenta, mas seus passageiros (como os giros) estivessem andando mais rápido, na pista rápida", explicou Pedro Vianez, que fez as medições para seu doutorado. no Laboratório Cavendish em Cambridge. "Mesmo quando os carros e passageiros desaceleram ou aceleram, eles ainda permanecem separados!"

"O que é notável aqui é que não estamos mais falando de elétrons, mas, em vez disso, de partículas (quase) compostas de spin e carga - comumente chamadas spinons e hólons, respectivamente. altas energias, mas o que se observa aponta exatamente o contrário - eles parecem se comportar de maneira muito semelhante aos elétrons normais, livres, estáveis, cada um com sua própria massa, exceto que não são, de fato, elétrons, mas excitações de um mar inteiro de cargas ou giros!" disse Oleksandr Tsyplyatyev, o teórico que liderou o trabalho na Universidade Goethe em Frankfurt.

"Este artigo representa o culminar de mais de uma década de trabalho experimental e teórico sobre a física de sistemas unidimensionais", disse Chris Ford, que liderou a equipe experimental. "Estávamos sempre curiosos para ver o que aconteceria se levássemos o sistema para energias mais altas, então melhoramos progressivamente nossa resolução de medição para escolher novos recursos. Fabricamos uma série de matrizes semicondutoras de fios que variam de 1 a 18 mícrons de comprimento ( ou seja, até um milésimo de milímetro ou aproximadamente 100 vezes mais fino que um fio de cabelo humano), com apenas 30 elétrons em um fio, e mediu-os a 0,3 K (ou em outras palavras, -272,85 ^⚬ C, dez vezes mais frio que o espaço sideral)."

Detalhes sobre a técnica experimental

Os elétrons fazem um túnel dos fios 1D para um gás de elétrons bidimensional adjacente, que atua como um espectrômetro, produzindo um mapa da relação entre energia e momento. "Esta técnica é em todos os aspectos muito semelhante à espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo (ARPES), que é um método comumente usado para determinar a estrutura de banda de materiais na física da matéria condensada. A principal diferença é que, em vez de sondar a superfície, nosso sistema está enterrado cem nanômetros abaixo dele", disse Vianez. Isso permitiu que os pesquisadores alcançassem resolução e controle sem precedentes para esse tipo de experimento de espectroscopia.

Conclusão

Esses resultados agora abrem a questão de se essa separação de carga de spin de todo o mar de elétrons permanece robusta além de 1D, por exemplo, em materiais supercondutores de alta temperatura. Agora também pode ser aplicado a dispositivos lógicos que aproveitam o spin (spintrônica), que oferecem uma redução drástica (em três ordens de magnitude!) ferramenta para engenharia de materiais quânticos. + Explorar mais

O simulador quântico mostra como partes de elétrons se movem em diferentes velocidades em 1D