|
Очень странное поведение электронов
|
|
|
|
Исследовательская группа, возглавляемая Институтом Пола Шеррера, спектроскопически наблюдала фракционирование электронного заряда в металлическом ферромагнетике на основе железа. Экспериментальное наблюдение этого явления имеет не только фундаментальное значение. Поскольку оно проявляется в сплаве обычных металлов при доступных температурах, оно обладает потенциалом для будущего использования в электронных устройствах. Открытие опубликовано в журнале Nature. Основы квантовой механики говорят нам, что фундаментальная единица заряда нерушима: заряд электрона квантован. Тем не менее, мы пришли к пониманию, что существуют исключения. В некоторых ситуациях электроны группируются так, как если бы они были разделены на независимые объекты, каждый из которых обладает долей заряда. Тот факт, что заряд может быть фракционирован, не нов: это наблюдалось экспериментально с начала 1980-х годов с помощью дробного квантового эффекта Холла. При этом наблюдается, что проводимость системы, в которой электроны ограничены двумерной плоскостью, квантуется в дробных, а не целых единицах заряда.
|
|
|
|
Эффект Холла обеспечивает косвенную меру фракционирования заряда через макроскопическое проявление явления: напряжение. Как таковой, он не раскрывает микроскопическое поведение — динамику — дробных зарядов. Исследовательская группа, созданная в сотрудничестве с институтами Швейцарии и Китая, теперь выявила такую динамику с помощью спектроскопии электронов, испускаемых ферромагнетиком при освещении лазером. Чтобы разделить заряды на фракции, вам нужно переместить электроны в странное место, где они перестают следовать обычным правилам. В обычных металлах электроны обычно движутся сквозь материал, как правило, игнорируя друг друга, за исключением случайных столкновений. Они обладают целым рядом различных энергий. Энергетические уровни, на которых они находятся, описываются как "дисперсионные полосы", где кинетическая энергия электронов зависит от их импульсов.
|
|
|
В некоторых материалах определенные экстремальные условия могут подтолкнуть электроны начать взаимодействовать и вести себя коллективно. Плоские полосы - это области в электронной структуре материала, где все электроны находятся в одинаковом энергетическом состоянии, т.е. где они имеют почти бесконечную эффективную массу. Здесь электроны слишком тяжелы, чтобы отделяться друг от друга, и между электронами царят сильные взаимодействия. Редкие и востребованные плоские полосы могут приводить к явлениям, включающим экзотические формы магнетизма или топологические фазы, такие как дробные квантовые состояния Холла. Для наблюдения дробного квантового эффекта Холла применяются сильные магнитные поля и очень низкие температуры, которые подавляют кинетическую энергию электронов и способствуют сильным взаимодействиям и коллективному поведению. Исследовательская группа могла бы достичь этого другим способом, без применения сильного магнитного поля: создав решетчатую структуру, которая уменьшает кинетическую энергию электронов и позволяет им взаимодействовать. Такой решеткой является японский плетеный бамбуковый коврик "кагоме", который характеризует атомные слои в удивительно большом количестве химических соединений.
|
|
|
|
Они сделали свое открытие в Fe3Sn2, соединении, состоящем только из обычных элементов железа (Fe) и олова (Sn), собранных по схеме кагоме из треугольников с разделяющими углами. Исследователи не ставили перед собой задачу наблюдать фракционирование заряда в kagome Fe3Sn2. Вместо этого им было просто интересно проверить, существуют ли плоские полосы, как предсказывалось для этого ферромагнитного материала. Используя лазерную фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (laser ARPES) в Женевском университете с очень малым диаметром луча, они смогли исследовать локальную электронную структуру материала с беспрецедентным разрешением. "Зонная структура в kagome Fe3Sn2 различна в зависимости от того, какой ферромагнитный домен вы исследуете. Нам было интересно посмотреть, сможем ли мы, используя микрофокусированный луч, обнаружить неоднородности в электронной структуре, коррелирующие с доменами, которые ранее были пропущены", - говорит Сэнди Экахана, научный сотрудник группы квантовых технологий PSI и первый автор исследования.
|
|
|
|
Сосредоточив внимание на определенных областях кристалла, команда определила особенность, известную как электронные карманы. Это области в импульсном пространстве электронной зонной структуры материала, где энергия электронов минимальна, эффективно образуя карманы, где электроны "зависают". Здесь электроны ведут себя как коллективные возбуждения или квазичастицы. Внимательно изучив их, исследователи обнаружили странные особенности в структуре электронных полос, которые не были полностью объяснены теорией. Лазерные измерения ARPES выявили полосу рассеяния, которая не соответствовала расчетам по теории функционала плотности (DFT) — одному из наиболее известных методов изучения электронных взаимодействий и поведения в материалах. "Довольно часто случается, что DFT не совсем совпадает. Но только с экспериментальной точки зрения эта группа была чрезвычайно своеобразной. Она была чрезвычайно резкой, но затем внезапно оборвалась. Это ненормально — обычно полосы являются непрерывными", - объясняет Йона Сох, ученый из PSI и автор-корреспондент исследования.
|
|
|
|
Исследователи поняли, что они наблюдали дисперсионную полосу, взаимодействующую с плоской полосой, существование которой предсказали коллеги из EPFL. Наблюдение за плоской полосой, взаимодействующей с дисперсионной полосой, само по себе представляет глубокий интерес: считается, что взаимодействие между плоской и дисперсионной полосами позволяет возникать новым фазам вещества, таким как "маргинальные" металлы, где электроны не распространяются намного дальше своей квантовой длины волны, и своеобразные сверхпроводники. "Было много теоретических дискуссий о взаимодействии между плоскими и дисперсионными полосами, но это первый случай, когда спектроскопически была обнаружена новая полоса, вызванная этим взаимодействием", - говорит Сох. Последствия этого наблюдения еще более глубоки. Когда две полосы встречаются, они скрещиваются, образуя новую полосу. Исходная дисперсионная полоса занята. Плоская полоса является незанятой, поскольку она находится выше уровня Ферми — концепция, описывающая границу между занятым и незанятым энергетическими уровнями. Когда создается новая полоса, заряд распределяется между исходной дисперсионной полосой и новой полосой. Это означает, что каждая полоса содержит лишь часть заряда.
|
|
|
|
Таким образом, измерения Экаханы и его коллег обеспечивают прямое спектроскопическое наблюдение фракционирования заряда. "Достижение и наблюдение состояний, в которых заряд фракционирован, интересно не только с точки зрения фундаментальных исследований", - говорит Габриэль Эппли, руководитель отдела фотонной науки в PSI и профессор EPFL и ETH Zurich, который предложил это исследование. "Мы наблюдаем это в сплаве обычных металлов при низких, но все еще относительно доступных температурах. Это заставляет задуматься о том, существуют ли электронные устройства, которые могли бы использовать фракционирование".
|
|
|
|
Источник
|
