Представьте себе дорогу с двумя полосами движения в каждом направлении. Одна полоса предназначена для медленных автомобилей, а другая - для быстрых. Исследователи из Кембриджа и Франкфурта обнаружили, что для электронов, движущихся по квантовому проводу, также существуют две "дорожки", но электроны могут проходить по обеим одновременно!

Ток в проводе переносится потоком электронов. Когда провод очень узкий (одномерный, 1D), то электроны не могут обгонять друг друга, так как они сильно отталкиваются друг от друга. Ток, или энергия, переносится вместо этого волнами сжатия, когда одна частица толкает следующую.

Давно известно, что существует два типа возбуждения электронов, поскольку в дополнение к их заряду они обладают свойством, называемым спином. Спиновые и зарядовые возбуждения распространяются с фиксированными, но разными скоростями, как и предсказывала модель Томонаги-Латтингера много десятилетий назад. Однако теоретики не в состоянии рассчитать, что именно происходит за пределами лишь небольших возмущений, поскольку взаимодействия слишком сложны. Кембриджская команда измерила эти скорости, поскольку их энергии различны, и обнаружила, что возникает очень простая картина (теперь опубликованная в журнале Science Advances). Каждый тип возбуждения может иметь низкую или высокую кинетическую энергию, как у автомобилей на дороге, с хорошо известной формулой E = 1/2 mv2, которая представляет собой параболу. Но для спина и заряда массы m различны, и, поскольку заряды отталкиваются и поэтому не могут занимать то же состояние, что и другой заряд, диапазон импульса для заряда в два раза шире, чем для спина. Результаты измеряют энергию как функцию магнитного поля, что эквивалентно импульсу или скорости v, показывая эти две энергетические параболы, которые можно увидеть в местах, в пять раз превышающих самую высокую энергию, занимаемую электронами в системе.

"Это похоже на то, как если бы автомобили (например, charges) ехали по медленной полосе, а их пассажиры (например, spins) ехали быстрее по быстрой полосе", - объяснил Педро Вианес, который проводил измерения для своей докторской диссертации в Кавендишской лаборатории в Кембридже. "Даже когда машины и пассажиры замедляют или ускоряются, они все равно остаются разделенными!"

"Что здесь примечательно, так это то, что мы больше не говорим об электронах, а вместо этого о составных (квазичастицах) со спином и зарядом, которые обычно называют спинонами и холонами соответственно. Долгое время считалось, что они становятся нестабильными при таких высоких энергиях, однако то, что наблюдается, указывает на прямо противоположное — они, по-видимому, ведут себя очень похоже на обычные, свободные, стабильные электроны, каждый со своей собственной массой, за исключением того, что они на самом деле не электроны, но возбуждения целого моря зарядов или спинов!" - сказал Александр Цыплятьев, теоретик, руководивший работой в Университете Гете во Франкфурте.

"Эта статья представляет собой кульминацию более чем десятилетней экспериментальной и теоретической работы по физике одномерных систем", - сказал Крис Форд, возглавлявший экспериментальную группу. "Нам всегда было любопытно посмотреть, что произойдет, если мы переведем систему на более высокие энергии, поэтому мы постепенно улучшали разрешение наших измерений, чтобы выявить новые функции. Мы изготовили серию полупроводниковых решеток из проволок длиной от 1 до 18 микрон (то есть до тысячной доли миллиметра или примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса), в проволоке всего 30 электронов, и измерили их при 0,3 К (или другими словами, -272,85 °C, в десять раз холоднее, чем в космосе)."

Электроны туннелируют из одномерных проводов в соседний двумерный электронный газ, который действует как спектрометр, создавая карту соотношения между энергией и импульсом. "Этот метод во всех отношениях очень похож на фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES), которая является широко используемым методом определения зонной структуры материалов в физике конденсированных сред. Ключевое отличие заключается в том, что вместо того, чтобы исследовать поверхность, наша система находится на глубине ста нанометров под ней", - сказал Вианес. Это позволило исследователям достичь беспрецедентного для такого типа спектроскопических экспериментов разрешения и контроля.

Эти результаты теперь открывают вопрос о том, остается ли это разделение спин-заряда всего электронного моря устойчивым за пределами 1D, например, в высокотемпературных сверхпроводящих материалах. Теперь он также может быть применен к логическим устройствам, использующим спин (спинтроника), Которые обеспечивают резкое снижение (на три порядка!) энергопотребления транзистора, Одновременно улучшая наше понимание квантовой материи, а также предлагая новый инструмент для разработки квантовых материалов.

ИСТОЧНИК