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10 de abril de 2019

Comportamiento de los electrones 'atrapados' en un mundo unidimensional observado en el laboratorio

Un equipo de físicos de la Universidad de Colonia ha visto, por primera vez, un comportamiento particularmente exótico de los electrones en una escala atómica. Los electrones normalmente se mueven casi libremente a través del espacio tridimensional. Sin embargo, cuando se ven obligados a moverse en una sola dimensión, es decir, en una cadena de átomos, comienzan a actuar de forma bastante extraña.

La teoría líquida de Tomonaga-Luttinger predijo esto hace décadas. En el laboratorio, sin embargo, este fenómeno hasta ahora solo se ha mostrado indirectamente. Un equipo de investigación internacional dirigido por el Profesor Dr. Thomas Michely en el Instituto de Física II de la Universidad de Colonia ahora ha producido cables unidimensionales, lo que les permite presenciar el comportamiento de los electrones atrapados en 1D con el microscopio de exploración de túneles. Informan sobre su descubrimiento en la revista Physical Review X.

"En 1950, el físico japonés y posterior premio Nobel Shin'ichiro Tomonaga imaginó lo que harían los electrones en un metal reducido a una dimensión, es decir, una cadena de átomos individuales", dijo Michely. 'Las consecuencias notables que se producen cuando los electrones ya no pueden evitarse entre sí son particularmente fascinantes para nosotros, los físicos. En un cristal 3D real, su interacción es más bien débil porque son bastante libres de moverse en un sistema tan "abierto". En 1D, sin embargo, los electrones simplemente no pueden evitarse entre sí y comenzar a interactuar fuertemente ".

Los electrones normalmente llevan un 'giro', un momento angular mecánico cuántico, y una carga. Sin embargo, en 1D dejan de comportarse como electrones normales debido a su fuerte interacción. En su lugar, se dividen en dos tipos de cuasi partículas que tienen espín o carga. Aquí los electrones se describen mejor como dos ondas independientes: una onda de densidad de giro y una onda de densidad de carga.

Este fenómeno se denomina separación de carga de espín y es el nudo de la teoría líquida de Tomonaga-Luttinger, llamada así por Tomonaga, quien la formuló por primera vez en 1950 y el físico teórico estadounidense Joaquín Mazdak Luttinger, quien desarrolló aún más la teoría.

Para poder ver esta separación de carga por giro localmente por primera vez, los investigadores de Colonia atraparon el llamado líquido Tomonaga-Luttinger en un cable de longitud finita, esencialmente encerrándolo en una jaula. Debido a la longitud finita del alambre, se forman ondas de electrones permanentes con energías discretas, como lo requiere la mecánica cuántica. Con este truco, ahora es posible explorar los límites de las teorías de Luttinger y Tomonaga con una precisión insondable en su momento.

El grupo de investigación del Instituto de Física II se especializa en la producción y exploración de materiales 2D, como el grafeno y el disulfuro de molibdeno monocapa (MoS2). Encontraron que en la interfaz de dos islas MoS2, una de las cuales es la imagen especular de la otra, se formó un alambre metálico de átomos. Los investigadores pudieron visualizar las ondas estacionarias a lo largo del cable y sus energías discretas con la ayuda de su microscopio de exploración de túneles, a una temperatura muy baja de -268 C (5 Kelvin).

Para su completa sorpresa, los científicos descubrieron dos series de ondas estacionarias en el cable, mientras que para electrones independientes "normales" solo se esperaría una serie. La clave para explicar el fenómeno provino de los físicos teóricos en torno al profesor Dr. Achim Rosch, también Universidad de Colonia: los dos conjuntos de ondas estacionarias representan la densidad de espín y las ondas de densidad de carga, como predijeron Tomonaga y Luttinger hace medio siglo.

Los científicos ahora están planeando investigar el comportamiento de los electrones en jaulas unidimensionales aún más de cerca. Para probar los límites de la teoría del líquido de Tomonaga-Luttinger, quieren realizar nuevos experimentos a temperaturas más de diez veces más bajas (0.3 Kelvin) y en una 'jaula' mejorada.

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