量子线中的可控电子流

根据发表在“自然”杂志上的一项新研究,普林斯顿的研究人员已经展示了一种在磁场存在下制造可控“量子线”的新方法。

研究人员在经受高磁场的铋晶体表面上检测到在两个量子态之间形成电子的通道。这两种状态由在不同方向的椭圆轨道中移动的电子组成。

令团队惊讶的是,他们发现这些通道中的电流可以打开和关闭,使这些通道成为一种新型的可控量子线。

“这些通道非常引人注目,因为它们在不同量子态之间的边界处自发形成,其中电子共同排列它们的椭圆轨道,”1909年物理学教授,普林斯顿复杂材料中心主任阿里亚兹达尼说。研究。“看到通道中的电子之间的相互作用如何强烈地决定它们是否能够传导,这是令人兴奋的。”

研究人员使用了一种扫描隧道显微镜 - 一种能够对单个原子进行成像并将电子的运动映射到材料表面的装置 - 来显示由纯铋制成的晶体表面上的电子行为。

使用这种仪器,该团队在磁场存在的情况下直接对电子的运动进行成像,该磁场是冰箱磁体的数千倍。大磁场的施加迫使电子在椭圆轨道中移动,而不是平行于电场方向的更典型的电子流。

研究小组发现,导电通道形成于晶体上两个区域之间的边界,称为谷极化畴壁,电子轨道上的两个区域突然转向。

进行实验的物理系研究生Mallika Randeria说:“我们发现有两个通道和四个通道的电子可以流动,这取决于磁场的精确值。 “。她和她的同事观察到,当电子被调谐到四通道通道时,它们会卡住,但当它们被限制在一个双通道通道时,它们可以畅通无阻地流动。

在试图理解这种行为时,研究人员发现了新的规则,通过这些规则,量子力学定律决定了这些多通道量子线中电子之间的排斥力。虽然较大数量的通道似乎表明电导率较高,但电子之间的排斥反直觉导致它们切换通道,改变方向并卡住,从而导致绝缘行为。由于通道较少,电子无法改变通道,即使它们必须相互“移动”,也必须传输电流 - 这种量子现象只能在这种一维通道中实现。

类似的受保护传导发生在所谓的物质拓扑状态的边界上,这是2016年诺贝尔奖授予普林斯顿大学物理学教授F. Duncan Haldane的主题。新发现的理论解释建立在团队的两名成员Siddharth Parameswaran的早期工作的基础上,Siddharth Parameswaran当时是普林斯顿大学的研究生,现在是牛津大学物理学副教授,普林斯顿大学的Shivaji Sondhi教授。物理学和合作者。

“虽然我们使用的一些理论思想已经存在了一段时间,但看看它们如何结合起来解释一个实际的实验仍然是一个挑战,并且当这种情况发生时真正令人兴奋,”Parameswaran说。“这是实验和理论如何协同工作的一个完美例子:如果没有新的实验数据,我们就永远不会重新审视我们的理论,如果没有新的理论,就很难理解实验。”

该研究由Gordon和Betty Moore基金会,美国能源部基础能源科学办公室,英国基金会和国家科学基金会资助。