Ein schwer fassbares Verhalten von Elektronen konnte endlich von der alltäglicheren Elektronenaktivität in einem realen Material isoliert werden.
Ein Team von Physikern unter der Leitung von Ryuhei Oka von der Ehime-Universität hat sogenannte Dirac-Elektronen in einem supraleitenden Polymer namens Bis(ethylendithio)-tetrathiafulvalen gemessen. Hierbei handelt es sich um Elektronen, die unter Bedingungen existieren, die sie faktisch masselos machen, sodass sie sich eher wie Photonen verhalten und mit Lichtgeschwindigkeit schwingen können.
Diese Entdeckung, so die Forscher, wird ein besseres Verständnis topologischer Materialien ermöglichen – Quantenmaterialien, die sich innen wie ein elektronischer Isolator und außen als Leiter verhalten.
Supraleiter, Halbleiter und topologische Materialien gewinnen zunehmend an Bedeutung, nicht zuletzt im Hinblick auf ihre potenziellen Anwendungen in Quantencomputern. Aber es gibt noch vieles, was wir über diese Materialien und ihr Verhalten nicht wissen.
Dirac-Elektronen beziehen sich auf gewöhnliche alte Elektronen unter außergewöhnlichen Bedingungen, die eine Dosis spezieller Relativitätstheorie erfordern, um das Quantenverhalten zu verstehen. Hier bringt die Überlappung von Atomen einige ihrer Elektronen in einen seltsamen Raum, der es ihnen ermöglicht, mit ausgezeichneter Energieeffizienz um Materialien herumzuspringen.
Basierend auf den Gleichungen des theoretischen Physikers Paul Dirac vor fast einem Jahrhundert wissen wir jetzt, dass es sie gibt – sie wurden in Graphen und anderen topologischen Materialien nachgewiesen.
Um das Potenzial der Dirac-Elektronen auszuschöpfen, müssen wir sie jedoch besser verstehen, und hier stoßen die Physiker auf ein Problem. Dirac-Elektronen koexistieren mit Standardelektronen, was bedeutet, dass es sehr schwierig ist, einen Typ eindeutig zu erkennen und zu messen.
Oka und Kollegen fanden einen Weg, dies zu erreichen, indem sie eine Eigenschaft namens Elektronenspinresonanz nutzten. Elektronen sind geladene Teilchen, die sich drehen; Durch diese rotierende Ladungsverteilung weisen sie jeweils einen magnetischen Dipol auf. Wenn also ein Magnetfeld an ein Material angelegt wird, kann es mit den Spins aller ungepaarten Elektronen darin interagieren und deren Spinzustand ändern.
Mit dieser Technik können Physiker ungepaarte Elektronen erkennen und beobachten. Und wie Oka und die anderen Forscher herausfanden, kann es auch verwendet werden, um das Verhalten von Dirac-Elektronen in Bis(ethylendithio)-tetrathiafulvalen direkt zu beobachten und sie von Standardelektronen als unterschiedliche Spinsysteme zu unterscheiden.
Das Team fand heraus, dass das Dirac-Elektron zum vollständigen Verständnis in vier Dimensionen beschrieben werden muss. Es gibt die standardmäßigen drei Raumdimensionen, die x-, y- und z-Achse; Und dann ist da noch das Energieniveau des Elektrons, das eine vierte Dimension darstellt.
„Da 3D-Bandstrukturen nicht in einem vierdimensionalen Raum dargestellt werden können“, erklären die Forscher in ihrer Arbeit, „bietet die hier vorgeschlagene Analysemethode eine allgemeine Möglichkeit, wichtige und leicht verständliche Informationen über solche Bandstrukturen darzustellen, die nicht dargestellt werden können.“ anders erhalten.“
Durch die Analyse des Dirac-Elektrons anhand dieser Dimensionen konnten die Forscher etwas herausfinden, was wir vorher nicht wussten. Ihre Bewegungsgeschwindigkeit ist nicht konstant; Vielmehr hängt es von der Temperatur und dem Magnetfeldwinkel im Material ab.
Das bedeutet, dass wir nun ein weiteres Puzzleteil haben, das uns hilft, das Verhalten von Dirac-Elektronen zu verstehen – eines, das dabei helfen könnte, ihre Eigenschaften in zukünftigen Technologien nutzbar zu machen.
Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Materialfortschritte.