激光网3月7日消息，由Paul Scherrer研究所领导的一个研究小组在光谱学上观察到了铁基金属铁磁体中电子电荷的分馏化。对这种现象的实验观察不仅具有根本性的重要性。由于它在可接近的温度下以普通金属的合金形式出现，因此它具有未来在电子设备中开发的潜力。这一发现发表在《自然》杂志上。
基本的量子力学告诉我们，电荷的基本单位是牢不可破的：电子电荷是量子化的。然而，我们已经认识到存在例外。在某些情况下，电子会集体排列，就好像它们被分裂成独立的实体一样，每个实体都拥有一小部分电荷。
电荷可以分馏化的事实并不新鲜：自 1980 年代后期以来，人们一直在实验中观察到分数量子霍尔效应。在这种情况下，观察到电子被限制在二维平面上的系统的电导被量子化为分数电荷单位。
霍尔效应通过现象的宏观表现形式间接测量电荷分馏。因此，它没有揭示分数电荷的微观行为——动力学。该研究小组是瑞士和中国机构之间的合作项目，现在通过光谱学揭示了铁磁体在激光照射下发出的电子的光谱学。
要对电荷进行分馏，您需要将电子带到一个奇怪的地方，在那里它们不再遵循正常规则。在传统金属中，电子通常穿过材料，除了偶尔的碰撞外，通常相互忽略。它们拥有一系列不同的能量。它们所处的能级被描述为“色散带”，其中电子的动能取决于它们的动量。
在某些材料中，某些极端条件可以推动电子开始相互作用并集体行为。扁平带是材料电子结构中电子都处于相同能量状态的区域，即它们具有几乎无限的有效质量。在这里，电子太重而无法相互逃逸，电子之间的强烈相互作用占主导地位。
稀有和抢手的扁平带会导致一些现象，包括奇异形式的磁性或拓扑相，如分数量子霍尔态。
为了观察分数量子霍尔效应，施加了强磁场和非常低的温度，这抑制了电子的动能，促进了强烈的相互作用和集体行为。
研究小组可以在不施加强磁场的情况下以不同的方式实现这一目标：通过创建降低电子动能并允许它们相互作用的晶格结构。这种格子是日本编织的竹制“kagome”垫子，它表征了大量化合物中的原子层。
他们在Fe3Sn2中发现了这一发现，Fe3Sn2是一种仅由常见元素铁和锡组成的化合物，根据角共享三角形的kagome模式组装而成。
研究人员并没有着手观察可果美Fe中的电荷分馏化3锡2.相反，他们只是对验证这种铁磁材料是否存在预测的平坦带感兴趣。
使用日内瓦大学的激光角度分辨光发射光谱，具有非常小的光束直径，他们可以以前所未有的分辨率探测材料的局部电子结构。
PSI量子技术小组的博士后、该研究的第一作者Sandy Ekahana说：“kagome Fe3Sn2中的能带结构因你探测的铁磁畴而异。我们很想看看，使用微聚焦光束，我们是否可以检测到与之前遗漏的畴相关的电子结构中的不均匀性。”。
专注于某些晶体域，该团队发现了一种称为电子袋的特征。这些是材料电子能带结构的动量空间中的区域，其中电子的能量最小，有效地形成了电子“闲逛”的口袋。在这里，电子表现为集体激发或准粒子。
在仔细研究这些时，研究人员在电子能带结构中发现了理论上无法完全解释的奇怪特征。激光ARPES测量揭示了一个色散带，这与密度泛函理论计算不匹配，密度泛函理论是研究材料中电子相互作用和行为的最成熟方法之一。
“DFT经常发生不太匹配的情况。但仅从实验的角度来看，这个乐队非常奇特。它非常锋利，但随后突然切断了。这是不正常的 - 通常，波段是连续的，“PSI的科学家，该研究的通讯作者Yona Soh解释道。
研究人员意识到，他们正在观察一个色散带与一个扁平带相互作用，洛桑联邦理工学院的同事预测该带存在。对平坦带与色散带相互作用的观察本身就引起了人们的极大兴趣：人们认为，平坦带和色散带之间的相互作用允许出现新的物质相，例如电子传播距离不超过其量子波长的“边缘”金属和奇特的超导体。
“关于平坦带和色散带之间的相互作用已经有很多理论讨论，但这是第一次在光谱学上发现由这种相互作用引起的新带，”Soh说。
这种观察的后果更加深远。当两个乐队相遇时，它们会杂交形成一个新的乐队。原始色散带被占用。平坦的带是空的，因为它位于费米能级之上——这个概念描述了被占用和未被占用能级之间的临界值。创建新频段时，电荷在原始色散频带和新频段之间分配。这意味着每个波段只包含一小部分电荷。
通过这种方式，Ekahana及其同事的测量提供了电荷分馏的直接光谱观察。
“不仅从基础研究的角度来看，实现和观察电荷被分馏化的状态是令人兴奋的，”PSI光子科学部门负责人，EPFL和苏黎世联邦理工学院教授Gabriel Aeppli说，他提出了这项研究。“我们在低温下观察到的普通金属合金中观察到了这一点，但仍然相对容易获得。因此，值得考虑是否有可能利用分数化的电子设备。
