Il comportamento sfuggente degli elettroni è stato finalmente isolato dalla normale attività degli elettroni in un materiale del mondo reale.
Un team di fisici guidati da Ryohei Oka dell'Università di Ehime ha misurato i cosiddetti elettroni di Dirac in un polimero superconduttore chiamato dietilenditio-tetratiavulvalina. Si tratta di elettroni che esistono in condizioni che li rendono privi di massa, consentendo loro di comportarsi come fotoni e oscillare alla velocità della luce.
I ricercatori affermano che questa scoperta consentirà una migliore comprensione dei materiali topologici, che sono materiali quantistici che agiscono come isolante elettronico all’interno e conduttore all’esterno.
Superconduttori, semiconduttori e materiali topologici sono sempre più importanti, soprattutto per quanto riguarda le loro potenziali applicazioni nei computer quantistici. Ma c’è ancora molto che non sappiamo su questi materiali e sul loro comportamento.
Gli elettroni di Dirac si riferiscono a comuni elettroni antichi in condizioni insolite che richiedono una dose di relatività speciale per comprendere i comportamenti quantistici. Qui, l’interferenza degli atomi mette alcuni dei loro elettroni in uno strano spazio che consente loro di rimbalzare attorno ai materiali con un’eccellente efficienza energetica.
Furono formulate a partire dalle equazioni del fisico teorico Paul Dirac quasi un secolo fa, e ora sappiamo che esistono: lo erano. Rilevato nel grafeneAccanto Altri materiali topologici.
Tuttavia, per sfruttare il potenziale degli elettroni di Dirac, dobbiamo capirli meglio, ed è qui che i fisici si trovano ad affrontare un ostacolo. Gli elettroni di Dirac coesistono con gli elettroni standard, il che significa che rilevare e misurare una singola specie in modo inequivocabile è estremamente difficile.
Oka e i suoi colleghi hanno trovato un modo per farlo sfruttando una proprietà chiamata risonanza di spin elettronico. Gli elettroni sono particelle cariche che ruotano; Questa distribuzione periodica della carica significa che ciascuno presenta a Dipolo magnetico. Pertanto, quando un campo magnetico viene applicato a un materiale, può interagire con lo spin di eventuali elettroni spaiati in esso contenuti, modificandone lo stato di spin.
Questa tecnologia potrebbe consentire ai fisici di rilevare e monitorare Elettroni spaiati. Come hanno scoperto Oka e gli altri ricercatori, può anche essere utilizzato per osservare direttamente il comportamento degli elettroni di Dirac nella di(etileneditio)-tetravalina, distinguendoli dagli elettroni standard in quanto hanno diversi sistemi di spin.
Il team ha scoperto che per essere compreso appieno, l'elettrone di Dirac deve essere descritto in quattro dimensioni. Esistono tre dimensioni spaziali standard, vale a dire gli assi x, y e z; Poi c'è il livello energetico dell'elettrone, che costituisce la quarta dimensione.
“Poiché le strutture dei domini 3D non possono essere riprodotte nello spazio 4D”, Lo spiegano i ricercatori nel loro articolo“, “Il metodo di analisi qui proposto fornisce un modo generale per fornire informazioni importanti e di facile comprensione sulle strutture delle bande che non possono essere ottenute altrimenti.”
Analizzando l'elettrone di Dirac in base a queste dimensioni, i ricercatori sono riusciti a scoprire qualcosa che prima non sapevamo. La loro velocità di movimento non è costante; Dipende piuttosto dalla temperatura e dall'angolo del campo magnetico all'interno del materiale.
Ciò significa che ora abbiamo un altro pezzo del puzzle che ci aiuta a comprendere il comportamento degli elettroni di Dirac, il che potrebbe aiutarci a sfruttare le loro proprietà nella tecnologia futura.
La ricerca del team è stata pubblicata in Fornire materiali.
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