Das schwer fassbare Verhalten von Elektronen konnte endlich von der gewöhnlichen Elektronenaktivität in einem realen Material isoliert werden.

Ein Team von Physikern unter der Leitung von Ryohei Oka von der Ehime-Universität hat sogenannte Dirac-Elektronen in einem supraleitenden Polymer namens Diethylendithiotetrathiavulvalin gemessen. Dabei handelt es sich um Elektronen, die unter Bedingungen existieren, die sie masselos machen und es ihnen ermöglichen, sich wie Photonen zu verhalten und mit Lichtgeschwindigkeit zu schwingen.

Die Forscher sagen, dass diese Entdeckung ein besseres Verständnis topologischer Materialien ermöglichen wird, bei denen es sich um Quantenmaterialien handelt, die innen als elektronischer Isolator und außen als Leiter fungieren.

Supraleiter, Halbleiter und topologische Materialien gewinnen zunehmend an Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf ihre möglichen 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 ungewöhnlichen Bedingungen, die eine Portion spezieller Relativitätstheorie erfordern, um das Quantenverhalten zu verstehen. Hier werden durch die Interferenz von Atomen einige ihrer Elektronen in einen seltsamen Raum gebracht, der es ihnen ermöglicht, mit ausgezeichneter Energieeffizienz um Materialien herumzuspringen.

Sie wurden vor fast einem Jahrhundert aus den Gleichungen des theoretischen Physikers Paul Dirac formuliert, und wir wissen jetzt, dass sie existieren – sie existierten. In Graphen nachgewiesenneben Andere topologische Materialien.

Um das Potenzial der Dirac-Elektronen auszuschöpfen, müssen wir sie jedoch besser verstehen, und hier stehen die Physiker vor einer Hürde. Dirac-Elektronen koexistieren mit Standardelektronen, was bedeutet, dass es äußerst schwierig ist, eine einzelne Spezies eindeutig zu erkennen und zu messen.

Oka und ihre Kollegen fanden einen Weg, dies zu erreichen, indem sie sich eine Eigenschaft namens Elektronenspinresonanz zunutze machten. Elektronen sind geladene Teilchen, die rotieren; Diese periodische Ladungsverteilung bedeutet, dass jedes eine aufweist Magnetischer Dipol. Wenn daher ein Magnetfeld an ein Material angelegt wird, kann es mit dem Spin aller ungepaarten Elektronen darin interagieren und deren Spinzustand ändern.

Diese Technologie könnte es Physikern ermöglichen, zu erkennen und zu überwachen Ungepaarte Elektronen. Wie Oka und die anderen Forscher herausfanden, lässt sich damit auch das Verhalten von Dirac-Elektronen in Di(ethylendithio)-tetravalin direkt beobachten und sie von Standardelektronen als unterschiedliche Spinsysteme unterscheiden.

Das Team fand heraus, dass das Dirac-Elektron zum vollständigen Verständnis in vier Dimensionen beschrieben werden muss. Es gibt die drei Standardraumdimensionen, nämlich die x-, y- und z-Achse; Dann gibt es noch das Energieniveau des Elektrons, das die vierte Dimension darstellt.

„Da 3D-Domänenstrukturen nicht im 4D-Raum abgebildet werden können“, Das erklären die Forscher in ihrer Arbeit„Die hier vorgeschlagene Analysemethode bietet eine allgemeine Möglichkeit, wichtige und leicht verständliche Informationen über Bandstrukturen bereitzustellen, die sonst nicht gewonnen werden können.“

Durch die Analyse des Dirac-Elektrons anhand dieser Dimensionen konnten die Forscher etwas entdecken, was wir vorher nicht wussten. Ihre Bewegungsgeschwindigkeit ist nicht konstant; Sie hängt vielmehr von der Temperatur und dem Winkel des Magnetfelds im Inneren des Materials ab.

Dies bedeutet, dass wir nun über ein weiteres Puzzleteil verfügen, das uns hilft, das Verhalten von Dirac-Elektronen zu verstehen, was dazu beitragen könnte, ihre Eigenschaften in zukünftigen Technologien nutzbar zu machen.

Die Forschung des Teams wurde in veröffentlicht Materialien bereitstellen.