Imaginez une route avec deux voies dans chaque direction. Une voie est réservée aux voitures lentes et l'autre aux voitures rapides. Pour les électrons se déplaçant le long d'un fil quantique, des chercheurs de Cambridge et de Francfort ont découvert qu'il existe également deux "voies", mais les électrons peuvent emprunter les deux en même temps !

Le courant dans un fil est transporté par le flux d'électrons. Lorsque le fil est très étroit (unidimensionnel, 1D), les électrons ne peuvent pas se dépasser, car ils se repoussent fortement. Le courant, ou l'énergie, est plutôt transporté par des ondes de compression lorsqu'une particule pousse la suivante.

On sait depuis longtemps qu'il existe deux types d'excitation pour les électrons, car en plus de leur charge ils possèdent une propriété appelée spin. Les excitations de spin et de charge se déplacent à des vitesses fixes mais différentes, comme le prévoyait le modèle de Tomonaga-Luttinger il y a plusieurs décennies. Cependant, les théoriciens sont incapables de calculer précisément ce qui se passe au-delà de petites perturbations, car les interactions sont trop complexes. L'équipe de Cambridge a mesuré ces vitesses alors que leurs énergies sont variées, et a découvert qu'une image très simple émerge (maintenant publiée dans la revue Science Advances ). Chaque type d'excitation peut avoir une énergie cinétique faible ou élevée, comme des voitures sur une route, avec la formule bien connue E=1/2 mv ² , qui est une parabole. Mais pour tourner et charger les masses m sont différents et, puisque les charges se repoussent et ne peuvent donc pas occuper le même état qu'une autre charge, il y a deux fois plus d'impulsions pour la charge que pour le spin. Les résultats mesurent l'énergie en fonction du champ magnétique, ce qui équivaut à l'impulsion ou à la vitesse v , montrant ces deux paraboles d'énergie, qui peuvent être vues jusqu'à cinq fois l'énergie la plus élevée occupée par les électrons dans le système.

"C'est comme si les voitures (comme les charges) roulaient sur la voie lente mais que leurs passagers (comme les vrilles) roulaient plus vite, sur la voie rapide", a expliqué Pedro Vianez, qui a effectué les mesures pour son doctorat. au laboratoire Cavendish de Cambridge. "Même lorsque les voitures et les passagers ralentissent ou accélèrent, ils restent toujours séparés !"

"Ce qui est remarquable ici, c'est que nous ne parlons plus d'électrons mais plutôt de (quasi)particules composites de spin et de charge - communément appelées spinons et holons, respectivement. Pendant longtemps, on a cru qu'ils devenaient instables à de telles hautes énergies, mais ce qui est observé indique exactement le contraire - ils semblent se comporter d'une manière très similaire aux électrons normaux, libres et stables, chacun avec sa propre masse, sauf qu'ils ne sont pas, en fait, des électrons, mais des excitations de toute une mer de charges ou de spins !" a déclaré Oleksandr Tsyplyatyev, le théoricien qui a dirigé les travaux à l'Université Goethe de Francfort.

"Cet article représente l'aboutissement de plus d'une décennie de travaux expérimentaux et théoriques sur la physique des systèmes unidimensionnels", a déclaré Chris Ford, qui dirigeait l'équipe expérimentale. "Nous étions toujours curieux de voir ce qui se passerait si nous amenions le système à des énergies plus élevées, nous avons donc progressivement amélioré notre résolution de mesure pour sélectionner de nouvelles fonctionnalités. Nous avons fabriqué une série de réseaux semi-conducteurs de fils allant de 1 à 18 microns de longueur ( c'est-à-dire jusqu'à un millième de millimètre ou environ 100 fois plus fin qu'un cheveu humain), avec aussi peu que 30 électrons dans un fil, et les a mesurés à 0,3 K (ou en d'autres termes, -272,85 ^⚬ C, dix fois plus froid que l'espace)."

Détails sur la technique expérimentale

Tunnel d'électrons des fils 1D dans un gaz d'électrons bidimensionnel adjacent, qui agit comme un spectromètre, produisant une carte de la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement. "Cette technique est en tous points très similaire à la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), qui est une méthode couramment utilisée pour déterminer la structure de bande des matériaux en physique de la matière condensée. La principale différence est que, plutôt que de sonder à la surface, notre système est enfoui à une centaine de nanomètres en dessous », a déclaré Vianez. Cela a permis aux chercheurs d'atteindre une résolution et un contrôle sans précédent pour ce type d'expérience de spectroscopie.

Conclusion

Ces résultats ouvrent maintenant la question de savoir si cette séparation spin-charge de l'ensemble de la mer d'électrons reste robuste au-delà de 1D, par exemple dans les matériaux supraconducteurs à haute température. Elle peut aussi maintenant s'appliquer aux dispositifs logiques qui exploitent le spin (spintronique), qui offrent une réduction drastique (de trois ordres de grandeur !) de la consommation d'énergie d'un transistor, améliorant simultanément notre compréhension de la matière quantique tout en offrant une nouvelle outil pour l'ingénierie des matériaux quantiques. + Explorer plus loin

Le simulateur quantique montre comment des parties d'électrons se déplacent à différentes vitesses en 1D