อิเล็กตรอนวิ่งเลนเร็วและช้าพร้อมกัน
โดย มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์
อิเล็กตรอนวิ่งเลนเร็วและช้าพร้อมกัน
รูปที่ 1 Parabolas สำหรับการหมุน (สีเขียว) และประจุ (สีม่วงแดง) สิ่งที่ใส่เข้าไปจะแสดงรายการชาร์จโดยละเอียดยิ่งขึ้น ที่มา: ทีมวิจัย Cavendish Laboratory, Department of Physics, University of Cambridge
ลองนึกภาพถนนที่มีสองเลนในแต่ละทิศทาง เลนหนึ่งสำหรับรถช้าและอีกเลนสำหรับรถเร็ว สำหรับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปตามเส้นลวดควอนตัม นักวิจัยในเคมบริดจ์และแฟรงก์เฟิร์ตได้ค้นพบว่ายังมี "เลน" อยู่สองเส้น แต่อิเล็กตรอนสามารถรับทั้งสองได้พร้อมกัน!
กระแสในเส้นลวดถูกนำพาโดยการไหลของอิเล็กตรอน เมื่อเส้นลวดแคบมาก (หนึ่งมิติ 1D) อิเล็กตรอนจะไม่สามารถแซงหน้ากันได้ เนื่องจากพวกมันจะผลักกันอย่างรุนแรง กระแสหรือพลังงานถูกพัดพาไปแทนโดยคลื่นของการบีบอัดเมื่ออนุภาคตัวหนึ่งผลักไปยังอีกอนุภาคหนึ่ง
เป็นที่ทราบกันมานานแล้วว่าการกระตุ้นอิเล็กตรอนมีสองประเภท เนื่องจากนอกจากประจุแล้ว ยังมีคุณสมบัติที่เรียกว่าสปิน แรงกระตุ้นของการหมุนและชาร์จเดินทางด้วยความเร็วคงที่แต่ต่างกันตามที่คาดการณ์โดยโมเดล Tomonaga-Luttinger เมื่อหลายสิบปีก่อน
อย่างไรก็ตาม นักทฤษฎีไม่สามารถคำนวณสิ่งที่เกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำ นอกจากการรบกวนเพียงเล็กน้อย เนื่องจากปฏิสัมพันธ์นั้นซับซ้อนเกินไป ทีมงานเคมบริดจ์ได้วัดความเร็วเหล่านี้เนื่องจากพลังงานของพวกมันแตกต่างกัน
และพบว่ามีภาพที่เรียบง่ายปรากฏขึ้น (ตอนนี้ตีพิมพ์ในวารสารScience Advances ) แรงกระตุ้นแต่ละประเภทสามารถมีพลังงานจลน์ต่ำหรือสูงได้ เช่น รถยนต์บนท้องถนน ด้วยสูตรที่รู้จักกันดีE=1/2 mv 2ซึ่งเป็นพาราโบลา แต่สำหรับการปั่นและชาร์จมวลชนmต่างกัน และเนื่องจากประจุขับไล่และดังนั้นจึงไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันกับประจุอื่นได้ มีช่วงของโมเมนตัมกว้างเป็นสองเท่าสำหรับการชาร์จเช่นเดียวกับการหมุน
ผลลัพธ์จะวัดพลังงานเป็นฟังก์ชันของสนามแม่เหล็ก ซึ่งเทียบเท่ากับโมเมนตัมหรือความเร็วvโดยแสดงพาราโบลาพลังงานทั้งสองนี้ ซึ่งสามารถมองเห็นได้ในสถานที่ต่างๆ จนถึงพลังงานสูงสุดห้าเท่าของอิเล็กตรอนในระบบ
เหมือนกับว่ารถยนต์ (เช่น ค่าใช้จ่าย) กำลังเดินทางในช่องทางที่ช้า แต่ผู้โดยสาร (เช่น การหมุน) กำลังขับเร็วขึ้นในช่องทางที่รวดเร็ว” เปโดร เวียเนซ ผู้ดำเนินการตรวจวัดสำหรับปริญญาเอกของเขาอธิบาย ที่ห้องปฏิบัติการคาเวนดิชในเคมบริดจ์ “แม้ว่ารถและผู้โดยสารจะช้าลงหรือเร็วขึ้น พวกเขาก็ยังแยกจากกัน!”
สิ่งที่น่าทึ่งในที่นี้คือ เราไม่ได้พูดถึงอิเล็กตรอนอีกต่อไป แต่เกี่ยวกับอนุภาคคอมโพสิต (กึ่ง) ของสปินและประจุ ซึ่งเรียกกันว่าสปินนอนและโฮลอน ตามลำดับ เชื่อกันว่าสิ่งเหล่านี้จะไม่เสถียรในสภาพเช่นนี้เป็นเวลานาน พลังงานสูง แต่สิ่งที่สังเกตได้ชี้ไปในทางตรงกันข้าม ดูเหมือนว่าพวกมันจะมีพฤติกรรมคล้ายกับอิเล็กตรอนปกติ อิสระ และเสถียรมาก
แต่ละตัวมีมวลของตัวเอง ยกเว้นว่า แท้จริงแล้วพวกมันไม่ใช่อิเล็กตรอน แต่เป็นการกระตุ้นของ ทะเลที่เต็มไปด้วยประจุหรือหมุน!” Oleksandr Tsyplyatyev นักทฤษฎีที่เป็นผู้นำงานที่มหาวิทยาลัยเกอเธ่ในแฟรงค์เฟิร์ตกล่าว
คริส ฟอร์ด หัวหน้าทีมทดลองกล่าวว่า "บทความนี้แสดงให้เห็นถึงจุดสุดยอดของงานทดลองและทฤษฎีเกี่ยวกับฟิสิกส์ของระบบหนึ่งมิติมากว่าทศวรรษ" "เราอยากรู้อยู่เสมอว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากเรานำระบบไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ดังนั้นเราจึงปรับปรุงความละเอียดในการวัดของเราอย่างค่อยเป็นค่อยไปเพื่อเลือกคุณสมบัติใหม่
เราสร้างชุดของอาร์เรย์เซมิคอนดักเตอร์ของสายไฟที่มีความยาวตั้งแต่ 1 ถึง 18 ไมครอน ( กล่าวคือ ลดลงเหลือหนึ่งในพันของมิลลิเมตรหรือบางกว่าเส้นผมมนุษย์ ประมาณ 100 เท่า ) โดยมี อิเล็กตรอนเพียง 30 ตัว ในเส้นลวด และวัดที่ 0.3 K (หรืออีกนัยหนึ่งคือ -272.85 ⚬ C สิบครั้ง เย็นกว่าอวกาศ )"
รายละเอียดเทคนิคการทดลอง
อุโมงค์อิเล็กตรอนจากสายไฟ 1 มิติไปยังก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติที่อยู่ติดกัน ซึ่งทำหน้าที่เป็นสเปกโตรมิเตอร์ สร้างแผนที่ของความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานและโมเมนตัม "เทคนิคนี้คล้ายกับทุกวิถีทางมากกับสเปกโตรสโคปีการแผ่รังสีเชิงมุม (ARPES) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการกำหนดโครงสร้างวงดนตรีของวัสดุในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น
ความแตกต่างที่สำคัญคือแทนที่จะตรวจสอบที่พื้นผิว ระบบของเราถูกฝังอยู่ด้านล่าง 100 นาโนเมตร” Vianez กล่าว สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถบรรลุความละเอียดและการควบคุมที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการทดลองสเปกโทรสโกปีประเภทนี้
บทสรุป
ผลลัพธ์เหล่านี้เปิดคำถามว่าการแยกประจุสปินของทะเลอิเล็กตรอนทั้งหมดยังคงแข็งแกร่งเกิน 1D หรือไม่ เช่น ในวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ตอนนี้อาจนำไปใช้กับอุปกรณ์ลอจิกที่ใช้สปินทรอนิกส์ (spintronics) ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานของทรานซิสเตอร์ลงได้อย่างมาก (โดยสามขนาด!) ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงความเข้าใจเรื่องควอนตัมของเรารวมทั้งนำเสนอสิ่งใหม่ เครื่องมือสำหรับวัสดุควอนตัมทางวิศวกรรม
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
