מהפכה קוונטית: הגדרה מחדש של פיזיקה עם מטענים חלקיים

מכניקת הקוונטים אומרת לנו שיחידת המטען הבסיסית אינה ניתנת לשבירה – אך קיימים חריגים.

צוות מחקר בראשות מכון פול שרר צפה ספקטרוסקופית בחלוקה של מטען אלקטרוני בפרומגנט מתכתי מבוסס ברזל. התבוננות נסיונית בתופעה היא לא רק בעלת חשיבות עקרונית. מכיוון שהוא מופיע ב- an סַגסוֹגֶת של מתכות נפוצות בטמפרטורות נגישות, יש לה פוטנציאל לניצול עתידי במכשירים אלקטרוניים. התגלית מתפרסמת בכתב העת טֶבַע.

מכניקת הקוונטים הבסיסית אומרת לנו שיחידת המטען הבסיסית אינה ניתנת לשבירה: מטען האלקטרונים מקומת. עם זאת, הבנו שקיימים חריגים. במצבים מסוימים, אלקטרונים מסדרים את עצמם באופן קולקטיבי כאילו הם מפוצלים לישויות עצמאיות, שלכל אחת יש שבריר מהמטען.

העובדה שניתן לחלק מטען אינה חדשה: היא נצפתה בניסוי מאז סוף שנות ה-80 עם אפקט הול הקוונטי השברירי. במקרה זה, המוליכות של מערכת שבה אלקטרונים מוגבלים למישור דו-ממדי נראית כמותית ביחידות מטען חלקיות – ולא שלמות.

אפקט הול מספק מדד עקיף של פיצול מטען, באמצעות ביטוי מקרוסקופי של התופעה: המתח. ככזה, הוא אינו חושף את ההתנהגות המיקרוסקופית – הדינמיקה – של מטענים חלקיים. צוות המחקר, שיתוף פעולה בין מוסדות בשוויץ ובסין, חשף כעת דינמיקה כזו באמצעות ספקטרוסקופיה של אלקטרונים הנפלטים מפרומגנט כשהם מוארים בלייזר.

דוחפים את האלקטרונים להתנהגות מוזרה

כדי לחלק מטענים, אתה צריך לקחת אלקטרונים למקום מוזר שבו הם מפסיקים לפעול לפי כללים רגילים. במתכות קונבנציונליות, אלקטרונים עוברים בדרך כלל דרך החומר, בדרך כלל מתעלמים זה מזה מלבד בליטה מדי פעם. יש להם מגוון של אנרגיות שונות. רמות האנרגיה שבהן הם נמצאים מתוארים כ"רצועות פיזור", כאשר האנרגיה הקינטית של האלקטרונים תלויה במומנטה שלהם.

בחומרים מסוימים, תנאים קיצוניים מסוימים יכולים לדחוף אלקטרונים להתחיל לקיים אינטראקציה ולהתנהג באופן קולקטיבי. פסים שטוחים הם אזורים במבנה האלקטרוני של חומר שבו האלקטרונים כולם נמצאים באותו מצב אנרגיה, כְּלוֹמַר, שבו יש להם מסות אפקטיביות כמעט אינסופיות. כאן, אלקטרונים כבדים מכדי לברוח זה מזה ואינטראקציות חזקות בין אלקטרונים שולטות. רצועות שטוחות, נדירות ומבוקשות, יכולות להוביל לתופעות כולל צורות אקזוטיות של מגנטיות או שלבים טופולוגיים כגון מצבי הול קוונטיים חלקיים.

כדי לצפות באפקט ההול הקוונטי השברירי, מופעלים שדות מגנטיים חזקים וטמפרטורות נמוכות מאוד, המדכאים את האנרגיה הקינטית של אלקטרונים ומקדמים אינטראקציות חזקות והתנהגות קולקטיבית.

צוות המחקר יכול להשיג זאת בדרך אחרת, ללא יישום של שדה מגנטי חזק: על ידי יצירת מבנה סריג שמפחית אנרגיות קינטיות של אלקטרונים ומאפשר להם אינטראקציה. סריג כזה הוא מחצלת הבמבוק הארוגה היפנית "קאגומה", המאפיינת שכבות אטומיות במספר רב באופן מפתיע של תרכובות כימיות. הם גילו את התגלית שלהם בפה₃Sn₂תרכובת המורכבת רק מהיסודות הנפוצים ברזל (Fe) ופח (Sn) המורכבים לפי תבנית הקגומה של משולשי פינות חולקים.

לייזר ARPES מאפשר מבט מקרוב

החוקרים לא יצאו לצפות בפיצול מטען בקגומה פה₃Sn₂. במקום זאת, הם פשוט היו מעוניינים לוודא האם קיימות פסים שטוחים כפי שצפוי עבור החומר הפרומגנטי הזה.

באמצעות ספקטרוסקופיה של פוטו-פליטה עם זווית לייזר (לייזר ARPES) באוניברסיטת ז'נבה בקוטר קרן קטן מאוד, הם יכלו לחקור את המבנה האלקטרוני המקומי של החומר ברזולוציה חסרת תקדים.

"מבנה הלהקה בקגומה פה₃Sn₂ שונה בהתאם לאיזה תחום פרומגנטי אתה בודק. היינו מעוניינים לראות אם, באמצעות האלומה הממוקדת מיקרו, נוכל לזהות אי-הומוגניות במבנה האלקטרוני בקורלציה לתחומים שקודם לכן החמיצו", אומרת סנדי Ekahana, פוסט-דוקטורט בקבוצת Quantum Technology ב-PSI והמחבר הראשון של הספר לימוד.

כיסי אלקטרונים ורצועות מתנגשות

בהתמקדות בתחומי קריסטל מסוימים, הצוות זיהה תכונה המכונה כיסי אלקטרונים. אלו הם אזורים במרחב המומנטום של מבנה הרצועה האלקטרונית של חומר שבהם אנרגיית האלקטרונים נמצאת במינימום, ולמעשה יוצרים כיסים שבהם אלקטרונים 'מסתובבים'. כאן, האלקטרונים מתנהגים כעירורים קולקטיביים, או כמו חלקיקים.

בבחינת אלה מקרוב, החוקרים זיהו מאפיינים מוזרים במבנה הלהקה האלקטרונית שלא הוסברו במלואם בתיאוריה. מדידות ה-ARPES בלייזר חשפו פס פיזור, שלא תאמה את חישובי התיאוריה הפונקציונלית בצפיפות (DFT) – אחת השיטות המבוססות ביותר לחקר אינטראקציות והתנהגויות אלקטרונים בחומרים. "לא מעט קורה ש-DFT לא ממש תואם. אבל מנקודת מבט ניסיונית בלבד, הלהקה הזו הייתה מוזרה ביותר. זה היה חד מאוד, אבל אז זה פתאום התנתק. זה לא נורמלי – בדרך כלל הרצועות הן רציפות", מסביר יונה סו, מדען ב-PSI ומחבר מקביל של המחקר.

החוקרים הבינו שהם צופים ברצועה מתפזרת המקיימת אינטראקציה עם רצועה שטוחה, שצפויה להתקיים על ידי עמיתים מ-EPFL. ההתבוננות ברצועה שטוחה המקיימת אינטראקציה עם פס מתפזר היא בעצמה בעלת עניין עמוק: מאמינים שהאינטראקציה בין פסים שטוחים לפסים מפוזרים מאפשרת לשלבים חדשים של חומר להופיע, כגון מתכות "שוליות" שבהן אלקטרונים אינם נעים הרבה יותר מאשר אורך הגל הקוונטי ומוליכי העל המוזרים שלהם.

"היו הרבה דיונים תיאורטיים על האינטראקציה בין להקות שטוחות לפזרות, אבל זו הפעם הראשונה שרצועה חדשה שנגרמה על ידי אינטראקציה זו התגלתה באופן ספקטרוסקופי", אומר סו.

התנהגות אלקטרונית מוזרה הופכת מוזרה עוד יותר: פיצול של מטען

ההשלכות של התבוננות זו עמוקות עוד יותר. היכן ששתי הלהקות נפגשות, הן כלאיות כדי ליצור להקה חדשה. הלהקה המפזרת המקורית תפוסה. הרצועה השטוחה אינה תפוסה מכיוון שהיא שוכנת מעל רמת הפרמי – מושג המתאר את הניתוק בין רמות האנרגיה הכבושה והלא תפוסה. כאשר הלהקה החדשה נוצרת, המטען מתחלק בין הלהקה המפזרת המקורית ללהקה החדשה. זה אומר שכל פס מכיל רק חלק קטן מהמטען.

בדרך זו, המדידות של Ekahana ועמיתיו מספקות תצפית ספקטרוסקופית ישירה בפיצול מטען.

"השגה והתבוננות במצבים שבהם מטען מפוצל היא מרגשת לא רק מנקודת המבט של מחקר יסודי", אומר גבריאל אפלי, ראש האגף פוטון חטיבה מדעית ב-PSI ופרופסור ב-EPFL ו-ETH ציריך, שהציעו את המחקר. "אנו רואים זאת בסגסוגת של מתכות נפוצות בטמפרטורות נמוכות, אך עדיין נגישות יחסית. זה עושה את זה כדאי לשקול אם יש מכשירים אלקטרוניים שעשויים לנצל פרקנציאליזציה".