Разработана технология исследования квантовых состояний электронов в твердых телах

Состояния электронов в твердых телах ответственны за различные свойства материалов, такие как цвет и электрическая проводимость.

Однако вследствие их заключения в кристалле весьма трудно исследовать квантовые физические свойства электронов подробно.

Константин Блиох и Франко Нори из RIKEN в сотрудничестве с исследователями из Австрии успешно измерили свободные электронные состояния, эквивалентные состояниям в твердых телах, впервые используя вихревые электронные лучи, сформированные трансмиссионным электронным микроскопом.

Квантовые состояния электрона в магнитном поле известны как состояния Ландау. Следы этих состояний в твердых телах можно измерить с помощью экспериментов электронной проводимости, однако специфика движений электронов и их вращательную динамику в пределах кристалла невозможно наблюдать напрямую.

Блиох и Нори вместо этого попытались произвести электроны в состоянии Ландау в свободном пространстве, где проще наблюдать их детальные свойства. Ученые использовали трансмиссионный электронный микроскоп, чтобы произвести нанометровые вихревые лучи свободных электронов. В сочетании с внешним магнитным полем параметры вихревого луча, такие как радиус, могут устанавливаться в соответствии с различными состояниями Ландау.

Для исследования вращательных свойств электронов в магнитном поле исследователи отрезали части лучей с острой кромкой и поместили кромку вдоль вихря. Так удалось выявить внешнюю вращательную динамику электронов, включая структуру их квантовых траекторий. Исследование показало, что квантовые электроны демонстрируют вращения под тремя различными углами, определяемыми вихревым квантовым количеством состояний Ландау. Все это существенно контрастирует с однородным вращением классических электронов в магнитном поле, но совместимо с текущими теоретическими предсказаниями.

«Наиболее захватывающий результат работы не в том, что мы, наконец, наблюдали состояния Ландау вне твердых тел, а в том, что внешняя вращательная динамика квантовых электронов в магнитном поле существенно отличается от классического сценария», отметил Блиох.

Технология вихревого электронного луча обеспечивает новые сведения о фундаментальных свойствах состояний Ландау. «Мы впервые измерили свойства квантовых электронов», пояснил Нори. „Эти свойства неразличимы в сыпучих материалах, поскольку твердые тела имеют дефекты, грани и поверхности. Эти свойства встречаются на фундаментальном уровне квантовой механики и могут в равной степени проявляться в других системах“.

01.12.2014