Istraživački tim predvođen Institutom Paul Scherrer spektroskopski je posmatrao frakcionizaciju elektronskog naelektrisanja u metalnom feromagnetu na bazi gvožđa. Eksperimentalno posmatranje fenomena nije samo od fundamentalnog značaja. Pošto se pojavljuje u leguri običnih metala na pristupačnim temperaturama, ima potencijal za buduću eksploataciju u elektronskim uređajima. Otkriće je objavljeno u časopisu Priroda.
Osnovna kvantna mehanika nam govori da je osnovna jedinica naelektrisanja neraskidiva: naelektrisanje elektrona je kvantizovano. Ipak, shvatili smo da izuzeci postoje. U nekim situacijama, elektroni se zajedno organizuju kao da su podeljeni u nezavisne entitete, od kojih svaki poseduje delić naelektrisanja.
Činjenica da se naelektrisanje može frakcionisati nije nova: posmatrano je eksperimentalno od kasnih 1980-ih sa frakcionim kvantnim Holovim efektom. U ovom slučaju, primećeno je da je provodljivost sistema u kome su elektroni ograničeni na dvodimenzionalnu ravan kvantizovana u razlomcima — umesto u celobrojnim — jedinicama naelektrisanja.
Holov efekat obezbeđuje indirektnu meru frakcionisanja naelektrisanja kroz makroskopsku manifestaciju fenomena: napon. Kao takav, ne otkriva mikroskopsko ponašanje – dinamiku – frakcionih naelektrisanja. Istraživački tim, saradnja između institucija u Švajcarskoj i Kini, sada je otkrio takvu dinamiku putem spektroskopije elektrona emitovanih iz feromagneta kada su osvetljeni laserom.
Da biste frakcionisali naelektrisanja, potrebno je da odnesete elektrone na čudno mesto gde prestaju da poštuju normalna pravila. U konvencionalnim metalima, elektroni se obično kreću kroz materijal, generalno ignorišući jedni druge osim povremenih udaraca. Oni poseduju niz različitih energija. Energetski nivoi u kojima leže opisani su kao „disperzivne trake“, gde kinetička energija elektrona zavisi od njihovog impulsa.
U nekim materijalima, određeni ekstremni uslovi mogu podstaći elektrone da počnu da komuniciraju i da se ponašaju kolektivno. Ravne trake su oblasti u elektronskoj strukturi materijala gde svi elektroni leže u istom energetskom stanju, tj. gde imaju skoro beskonačne efektivne mase. Ovde su elektroni preteški da bi pobegli jedni od drugih, a vladaju jake interakcije između elektrona.
Retke i tražene ravne trake mogu dovesti do pojava uključujući egzotične oblike magnetizma ili topološke faze kao što su frakciona kvantna Holova stanja.
Da bi se posmatrao frakcioni kvantni Holov efekat, primenjuju se jaka magnetna polja i veoma niske temperature, koje potiskuju kinetičku energiju elektrona i promovišu snažne interakcije i kolektivno ponašanje.
Istraživački tim bi to mogao postići na drugačiji način, bez primene jakog magnetnog polja: stvaranjem rešetkaste strukture koja smanjuje kinetičke energije elektrona i omogućava im interakciju. Takva rešetka je japanska tkana prostirka od bambusa „kagome“, koja karakteriše atomske slojeve u iznenađujuće velikom broju hemijskih jedinjenja.
Oni su otkrili Fe 3 Sn 2 , jedinjenje koje se sastoji samo od zajedničkih elemenata gvožđa (Fe) i kalaja (Sn) sastavljenih prema kagome obrascu trouglova koji dele uglove.
Istraživači nisu nameravali da posmatraju frakcionisanje naelektrisanja u kagome Fe 3 Sn 2 . Umesto toga, oni su jednostavno bili zainteresovani da provere da li ravne trake postoje kako je predviđeno za ovaj feromagnetni materijal.
Koristeći lasersku fotoemisionu spektroskopiju (laser ARPES) na Univerzitetu u Ženevi sa veoma malim prečnikom zraka, mogli su da ispitaju lokalnu elektronsku strukturu materijala u rezoluciji bez presedana.
„Struktura traka u kagome Fe 3 Sn 2 je različita u zavisnosti od toga koji feromagnetni domen ispitujete. Zanimalo nas je da li, koristeći mikrofokusirani snop, možemo da otkrijemo nehomogenosti u elektronskoj strukturi u korelaciji sa domenima koji su prethodno bili propustili“, kaže Sandi Ekahana, postdoktorski saradnik u grupi Kuantum Technologi na PSI i prvi autor studije.
Fokusirajući se na određene kristalne domene, tim je identifikovao osobinu poznatu kao džepovi elektrona. Ovo su regioni u impulsnom prostoru elektronske trakaste strukture materijala gde je energija elektrona na minimumu, efektivno formirajući džepove u kojima elektroni „vise“. Ovde se elektroni ponašaju kao kolektivne pobude ili kvazičestice.
Kada su ih pažljivo ispitali, istraživači su otkrili čudne karakteristike u strukturi elektronske trake koje nisu bile u potpunosti objašnjene teorijom. Laserska ARPES merenja su otkrila disperzivnu traku, koja se nije poklapala sa proračunima teorije funkcionalne gustine (DFT) — jednom od najuspešnijih metoda za proučavanje interakcija i ponašanja elektrona u materijalima.
„Često se dešava da se DFT ne poklapa sasvim. Ali samo sa eksperimentalne tačke gledišta, ova traka je bila izuzetno neobična. Bila je izuzetno oštra, ali je onda iznenada prekinuta. To nije normalno – obično su trake neprekidne. “, objašnjava Jona Soh, naučnik u PSI i odgovarajući autor studije.
Istraživači su shvatili da posmatraju disperzivnu traku koja je u interakciji sa ravnom trakom, za koju su kolege iz EPFL-a predvideli da postoji. Posmatranje ravne trake koja je u interakciji sa disperzivnom trakom je samo po sebi od velikog interesa: veruje se da interakcija između ravnih i disperzivnih traka omogućava da se pojave nove faze materije, kao što su „marginalni“ metali gde elektroni ne putuju mnogo dalje od njihova kvantna talasna dužina i osobeni superprovodnici.
„Bilo je dosta teorijske rasprave o interakciji između ravnih i disperzivnih traka, ali ovo je prvi put da je nova traka uzrokovana ovom interakcijom otkrivena spektroskopski“, kaže Soh.
Posledice ovog zapažanja su još dublje. Kada se dva benda sretnu, hibridiziraju se kako bi napravili novi bend. Originalni disperzivni pojas je zauzet. Ravna traka je nezauzeta jer leži iznad Fermijevog nivoa — koncept koji opisuje granicu između zauzetog i nezauzetog energetskog nivoa. Kada se kreira nova traka, punjenje se deli između originalne disperzivne trake i nove trake. To znači da svaka traka sadrži samo delić naelektrisanja.
Na ovaj način, merenja Ekahane i kolega obezbeđuju direktno spektroskopsko posmatranje frakcionisanja naelektrisanja.
„Postizanje i posmatranje stanja u kojima je naelektrisanje frakcionisano je uzbudljivo ne samo iz perspektive fundamentalnih istraživanja“, kaže Gabriel Aeppli, šef odeljenja za nauku o fotonima na PSI i profesor na EPFL i ETH Cirihu, koji je predložio studiju. „Ovo posmatramo u leguri običnih metala na niskim, ali još uvek relativno dostupnim temperaturama. Zbog toga je vredno razmotriti da li postoje elektronski uređaji koji bi mogli da iskoriste frakcionizaciju.“
