Αυτά είναι ηλεκτρόνια που υπάρχουν υπό συνθήκες που τα καθιστούν αποτελεσματικά χωρίς μάζα, επιτρέποντάς τους να συμπεριφέρονται περισσότερο σαν φωτόνια και να ταλαντώνονται με την ταχύτητα του φωτός.

Αυτή η ανακάλυψη, λένε οι ερευνητές, θα επιτρέψει την καλύτερη κατανόηση των τοπολογικών υλικών – κβαντικών υλικών που συμπεριφέρονται ως ηλεκτρονικός μονωτής στο εσωτερικό και αγωγός στο εξωτερικό.

Οι υπεραγωγοί, οι ημιαγωγοί και τα τοπολογικά υλικά αποκτούν όλο και μεγαλύτερη συνάφεια, κυρίως για τις πιθανές εφαρμογές τους σε κβαντικούς υπολογιστές . Αλλά υπάρχουν πολλά που δεν γνωρίζουμε ακόμα για αυτά τα υλικά και τον τρόπο συμπεριφοράς τους.

Τα ηλεκτρόνια Dirac αναφέρονται σε κοινά παλιά ηλεκτρόνια κάτω από εξαιρετικές συνθήκες που απαιτούν μια δόση ειδικής σχετικότητας για να γίνουν κατανοητές οι κβαντικές συμπεριφορές. Εδώ, η επικάλυψη των ατόμων βάζει μερικά από τα ηλεκτρόνια τους σε έναν περίεργο χώρο που τους επιτρέπει να πηδούν γύρω από υλικά με εξαιρετική ενεργειακή απόδοση.

Διατυπώθηκαν από τις εξισώσεις του θεωρητικού φυσικού Paul Dirac πριν από σχεδόν έναν αιώνα, τώρα γνωρίζουμε ότι είναι εκεί έξω – έχουν ανιχνευθεί στο γραφένιο , καθώς και σε άλλα τοπολογικά υλικά .

Προκειμένου να αξιοποιήσουμε το δυναμικό των ηλεκτρονίων Dirac, ωστόσο, πρέπει να τα κατανοήσουμε καλύτερα, και εδώ είναι που oι φυσικοί δυσκολεύονται. Τα ηλεκτρόνια Dirac συνυπάρχουν με τα τυπικά ηλεκτρόνια, πράγμα που σημαίνει ότι η ανίχνευση και η μέτρηση ενός τύπου είναι πολύ δύσκολο να γίνει με σαφήνεια.

Ο Oka και οι συνεργάτες του βρήκαν έναν τρόπο να το κάνουν αυτό αξιοποιώντας μια ιδιότητα που ονομάζεται συντονισμός σπιν ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια είναι φορτισμένα σωματίδια που περιστρέφονται. Αυτή η περιστρεφόμενη κατανομή φορτίου σημαίνει ότι το καθένα παρουσιάζει ένα μαγνητικό δίπολο . Έτσι, όταν ένα μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε ένα υλικό, μπορεί να αλληλεπιδράσει με τα σπιν οποιωνδήποτε μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων σε αυτό, αλλάζοντας την κατάσταση σπιν τους.

Αυτή η τεχνική μπορεί να επιτρέψει στους φυσικούς να ανιχνεύουν και να παρατηρούν ασύζευκτα ηλεκτρόνια . Και, όπως διαπίστωσαν ο Oka και οι άλλοι ερευνητές, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την άμεση παρατήρηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων Dirac στο δις(αιθυλενοδιθειο)-τετραθειαφουλβαλένιο, διακρίνοντάς τα από τα τυπικά ηλεκτρόνια ως διαφορετικά συστήματα σπιν.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι, για να το κατανοήσει πλήρως, το ηλεκτρόνιο Dirac πρέπει να περιγραφεί σε τέσσερις διαστάσεις. Υπάρχουν οι τυπικές τρεις χωρικές διαστάσεις, οι άξονες x, y και z. και μετά υπάρχει το ενεργειακό επίπεδο του ηλεκτρονίου, το οποίο αποτελεί την τέταρτη διάσταση.

«Καθώς οι δομές 3D ζωνών δεν μπορούν να απεικονιστούν σε έναν τετραδιάστατο χώρο», εξηγούν οι ερευνητές στην εργασία τους , «η μέθοδος ανάλυσης που προτείνεται εδώ παρέχει έναν γενικό τρόπο παρουσίασης σημαντικών και εύκολα κατανοητών πληροφοριών τέτοιων δομών ζωνών που δεν μπορούν να αποκτηθεί διαφορετικά».

Αναλύοντας το ηλεκτρόνιο Dirac με βάση αυτές τις διαστάσεις, οι ερευνητές μπόρεσαν να καταλάβουν κάτι που δεν γνωρίζαμε πριν. Η ταχύτητα της κίνησής τους δεν είναι σταθερή. Μάλλον, εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη γωνία μαγνητικού πεδίου μέσα στο υλικό.

Αυτό σημαίνει ότι τώρα έχουμε ένα άλλο κομμάτι του παζλ που μας βοηθά να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων Dirac – ένα κομμάτι που μπορεί να βοηθήσει στην αξιοποίηση των ιδιοτήτων τους στη μελλοντική τεχνολογία.

Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε στο Materials Advances .

photo: pixabay