Впервые обнаружено движение электронов со «световой скоростью» в четырех измерениях

Неуловимое поведение электронов наконец было выделено из более обыденной активности электронов в реальном материале. Новое исследование было опубликовано в журнале Materials Advances.

Группа физиков под руководством Рюхея Оки из Университета Эхимэ измерила так называемые электроны Дирака в сверхпроводящем полимере под названием бис(этилендитио)-тетратиафульвален. Это электроны, которые существуют в условиях, которые фактически делают их безмассовыми, позволяя им вести себя больше как фотоны и колебаться со скоростью света.

Это открытие, по словам исследователей, позволит лучше понять топологические материалы – квантовые материалы, которые ведут себя как электронный изолятор внутри и проводник снаружи.

Сверхпроводники, полупроводники и топологические материалы приобретают все большую актуальность, не в последнюю очередь с точки зрения их потенциального применения в квантовых компьютерах. Но мы еще многого не знаем об этих материалах и о том, как они себя ведут.

Электроны Дирака относятся к обычным старым электронам в необычных условиях, которые требуют некоторой дозы специальной теории относительности для понимания квантового поведения. Здесь перекрытие атомов помещает некоторые из их электронов в странное пространство, которое позволяет им прыгать вокруг материалов с превосходной энергетической эффективностью.

Сформулированные на основе уравнений физика-теоретика Поля Дирака почти столетие назад, теперь мы знаем, что они существуют — они были обнаружены в графене, а также в других топологических материалах.

Однако, чтобы использовать потенциал электронов Дирака, нам необходимо лучше их понять, и здесь физики сталкиваются с проблемой. Электроны Дирака сосуществуют со стандартными электронами, а это означает, что обнаружить и измерить один тип очень сложно однозначно.

Ока и его коллеги нашли способ сделать это, используя свойство, называемое электронным спиновым резонансом. Электроны — это заряженные частицы, которые вращаются; такое вращающееся распределение заряда означает, что каждый из них имеет магнитный диполь. Таким образом, когда к материалу прикладывается магнитное поле, оно может взаимодействовать со спинами любых неспаренных электронов в нем, изменяя их спиновое состояние.

Этот метод может позволить физикам обнаруживать и наблюдать неспаренные электроны. И, как обнаружили Ока и другие исследователи, его также можно использовать для непосредственного наблюдения за поведением электронов Дирака в бис(этилендитио)-тетратиафульвалене, отличая их от стандартных электронов как различных спиновых систем.

Команда обнаружила, что для полного понимания этого электрон Дирака необходимо описать в четырех измерениях. Есть стандартные три пространственных измерения: оси x, y и z; и еще есть энергетический уровень электрона, который составляет четвертое измерение.

«Поскольку трехмерные зонные структуры невозможно изобразить в четырехмерном пространстве», — объясняют исследователи в своей статье, — «предложенный здесь метод анализа обеспечивает общий способ представления важной и простой для понимания информации о таких зонных структурах, которую невозможно описать иначе».

Анализируя электрон Дирака на основе этих измерений, исследователи смогли выяснить то, чего мы раньше не знали. Скорость их движения непостоянна; скорее, это зависит от температуры и угла магнитного поля внутри материала.

Это означает, что теперь у нас есть еще одна часть головоломки, которая поможет нам понять поведение электронов Дирака – та, которая может помочь в использовании их свойств в будущих технологиях.