Une équipe de physiciens de l'Université de Cologne a, pour la première fois, vu un comportement particulièrement exotique des électrons à l'échelle atomique. Les électrons se déplacent normalement presque librement dans l'espace tridimensionnel. Cependant, quand ils sont obligés de se déplacer dans une seule dimension, c'est à dire., dans une chaîne d'atomes, ils commencent à agir étrangement. La théorie des liquides de Tomonaga-Luttinger a prédit cela il y a des décennies. Dans le laboratoire, cependant, ce phénomène n'a jusqu'à présent été démontré qu'indirectement.

Une équipe de recherche internationale dirigée par le professeur Thomas Michely de l'Institut de physique II de l'Université de Cologne a maintenant produit des fils unidimensionnels, leur permettant d'observer le comportement des électrons piégés en 1D avec le microscope à effet tunnel. Ils rendent compte de leur découverte dans le journal Examen physique X .

« En 1950, Le physicien japonais et plus tard lauréat du prix Nobel Shin'ichiro Tomonaga a imaginé ce que les électrons feraient dans un métal réduit à une dimension, C'est, une chaîne d'atomes simples, " a déclaré Michely. " Les conséquences remarquables qui s'ensuivent lorsque les électrons ne peuvent plus s'éviter sont particulièrement fascinantes pour nous, physiciens. Dans un vrai cristal 3D, leur interaction est plutôt faible car ils sont tout à fait libres de se déplacer dans un système aussi « ouvert ». En 1-D, cependant, les électrons ne peuvent tout simplement pas s'éviter et commencent à interagir fortement."

Les électrons portent normalement une charge et un spin, un moment cinétique de la mécanique quantique. Cependant, en 1-D, ils cessent de se comporter comme des électrons normaux en raison de leur forte interaction. Au lieu, elles se divisent en deux types de quasi-particules qui ont soit un spin, soit une charge. Ici, les électrons sont mieux décrits comme deux ondes indépendantes :une onde de densité de spin et une onde de densité de charge. Ce phénomène est appelé séparation spin-charge et est au cœur de la théorie liquide de Tomonaga-Luttinger, nommé d'après Tomonaga, qui l'a formulé pour la première fois en 1950, et le physicien théoricien américain Joaquin Mazdak Luttinger, qui a développé la théorie plus loin.

Pour pouvoir voir cette séparation spin-charge localement pour la première fois, les chercheurs de Cologne ont piégé le liquide dit Tomonaga-Luttinger dans un fil de longueur finie, essentiellement le verrouiller dans une cage. En raison de la longueur finie du fil, des ondes d'électrons stationnaires avec des énergies discrètes se forment, comme l'exige la mécanique quantique. Cela permet d'explorer les limites des théories de Luttinger et Tomonaga avec une précision insondable à leur époque.

Le groupe de recherche de l'Institute of Physics II est spécialisé dans la production et l'exploration de matériaux 2D tels que le graphène et le bisulfure de molybdène monocouche (MoS 2 ). Ils ont découvert qu'à l'interface de deux MoS 2 îles, dont l'un est l'image miroir de l'autre, un fil métallique d'atomes se forme. Les chercheurs ont pu visualiser les ondes stationnaires le long du fil et leurs énergies discrètes à l'aide de leur microscope à effet tunnel à une température de -268 degrés C (5 Kelvin).

A leur grande surprise, les scientifiques ont découvert deux séries d'ondes stationnaires dans le fil, tandis que pour les électrons indépendants "normaux", un seul ensemble aurait été attendu. La clé pour expliquer le phénomène est venue des physiciens théoriciens autour du professeur Dr. Achim Rosch, aussi Université de Cologne :Les deux ensembles d'ondes stationnaires représentent la densité de spin et les ondes de densité de charge, comme Tomonaga et Luttinger l'avaient prédit il y a un demi-siècle.

Les scientifiques envisagent maintenant d'étudier de plus près le comportement des électrons dans des cages unidimensionnelles. Pour tester les limites de la théorie liquide de Tomonaga-Luttinger, ils veulent mener de nouvelles expériences à des températures plus de 10 fois inférieures (0,3 degré Kelvin) et dans une "cage" améliorée.