Het ongrijpbare gedrag van elektronen is eindelijk geïsoleerd van de gewone elektronenactiviteit in materiaal uit de echte wereld.
Een team van natuurkundigen onder leiding van Ryohei Oka van de Ehime Universiteit heeft zogenaamde Dirac-elektronen gemeten in een supergeleidend polymeer genaamd diethyleendithio-tetrathiavulvaline. Dit zijn elektronen die bestaan onder omstandigheden die ze massaloos maken, waardoor ze zich kunnen gedragen als fotonen en kunnen oscilleren met de snelheid van het licht.
De onderzoekers zeggen dat deze ontdekking een beter begrip van topologische materialen mogelijk zal maken, dit zijn kwantummaterialen die aan de binnenkant fungeren als een elektronische isolator en aan de buitenkant als geleider.
Supergeleiders, halfgeleiders en topologische materialen worden steeds belangrijker, vooral met betrekking tot hun potentiële toepassingen in kwantumcomputers. Maar er is nog veel dat we niet weten over deze materialen en de manier waarop ze zich gedragen.
Dirac-elektronen verwijzen naar gewone oude elektronen onder ongebruikelijke omstandigheden die een dosis speciale relativiteitstheorie vereisen om kwantumgedrag te begrijpen. Hier plaatst de interferentie van atomen een deel van hun elektronen in een vreemde ruimte waardoor ze met uitstekende energie-efficiëntie rond materialen kunnen stuiteren.
Ze zijn bijna een eeuw geleden geformuleerd op basis van de vergelijkingen van theoretisch natuurkundige Paul Dirac, en we weten nu dat ze bestaan – dat waren ze ook. Gedetecteerd in grafeenNaast Andere topologische materialen.
Om het potentieel van Dirac-elektronen te kunnen benutten, moeten we ze echter beter begrijpen, en dit is waar natuurkundigen voor een hindernis staan. Dirac-elektronen bestaan naast standaardelektronen, wat betekent dat het ondubbelzinnig detecteren en meten van een enkele soort uiterst moeilijk is.
Oka en haar collega's hebben een manier gevonden om dit te doen door gebruik te maken van een eigenschap die elektronenspinresonantie wordt genoemd. Elektronen zijn geladen deeltjes die roteren; Deze periodieke ladingsverdeling betekent dat elk een Magnetische dipool. Daarom kan, wanneer een magnetisch veld op een materiaal wordt aangelegd, het een interactie aangaan met de spin van eventuele ongepaarde elektronen daarin, waardoor hun spintoestand verandert.
Deze technologie zou natuurkundigen in staat kunnen stellen om te detecteren en te monitoren Ongepaarde elektronen. Zoals Oka en de andere onderzoekers ontdekten, kan het ook worden gebruikt om het gedrag van Dirac-elektronen in di(ethyleendithio)-tetravaline rechtstreeks te observeren, waardoor ze van standaardelektronen worden onderscheiden als verschillende spinsystemen.
Het team ontdekte dat het Dirac-elektron, om het volledig te kunnen begrijpen, in vier dimensies moet worden beschreven. Er zijn de drie standaard ruimtelijke dimensies, namelijk de x-, y- en z-assen; Dan is er het energieniveau van het elektron, dat de vierde dimensie vormt.
“Aangezien 3D-domeinstructuren niet kunnen worden afgebeeld in de 4D-ruimte,” De onderzoekers leggen het uit in hun artikel“, “De hier voorgestelde analysemethode biedt een algemene manier om belangrijke en gemakkelijk te begrijpen informatie te verschaffen over bandstructuren die anders niet kan worden verkregen.”
Door het Dirac-elektron op basis van deze dimensies te analyseren, konden de onderzoekers iets ontdekken dat we nog niet eerder wisten. Hun bewegingssnelheid is niet constant; Het hangt eerder af van de temperatuur en de hoek van het magnetische veld in het materiaal.
Dit betekent dat we nu een nieuw stukje van de puzzel hebben dat ons helpt het gedrag van Dirac-elektronen te begrijpen, wat kan helpen hun eigenschappen in toekomstige technologie te benutten.
Het onderzoek van het team is gepubliceerd in Zorg voor materialen.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”