Weergave van een elektron dat zich opsplitst in twee nieuwe deeltjes
Een spinon dat het magnetische moment van het elektron wegdraagt en een orbiton dat het draaimoment van het elektron bezit.
Elektronen zijn fundamentele deeltjes met karakteristieke eigenschappen zoals elektrische lading en ‘spin’. De spin zorgt ervoor dat we elektronen kunnen beschouwen als kleine magneetjes, die uiteindelijk ook voor magnetische effecten in materialen zorgen. Daarnaast bezitten elektronen in een materiaal nog een eigenschap genaamd ‘orbitaal moment’, gerelateerd aan de draaibeweging om de atoomkern. Normaal gesproken zijn spin en orbitaal moment gekoppeld aan één enkel elektron. In een experiment zijn de beide eigenschappen nu voor het eerst ontkoppeld.
Röntgenstralen splitsen een elektron in een spinon en orbiton
Dat een elektron zich opsplitst in twee deeltjes kon worden afgeleid uit metingen aan de koperoxide-verbinding Sr2CuO3. Dit materiaal heeft de unieke eigenschap dat elektronen zich er slechts in één richting kunnen bewegen: vooruit of achteruit. Met röntgenstraling konden de wetenschappers sommige elektronen van de koperatomen van Sr2CuO3 naar hogere banen om de atoomkern aanslaan (naar hogere en energierijkere orbitalen). Daarna splitsten de vrijheidsgraden van het elektron zich: het spinon draagt de spin van het elektron weg terwijl het orbiton er met de extra orbitaal energie vandoor gaat. Het is voor het eerst dat de spin- en orbitaal vrijheidsgraden van elektronen ontkoppelen en van elkaar gescheiden raken.
In het experiment worden zeer energierijke röntgenstralen op het Sr2CuO3 materiaal afgevuurd. Door de energie en impuls van de röntgenstralen voor en na de interactie met het materiaal te vergelijken, konden de natuurkundigen de eigenschappen van de nieuw gevormde deeltjes traceren.
Elektron-splitsing ook te verwachten in andere materialen
Het team van theoretici zorgden voor een nauwkeurige theoretische interpretatie van de resultaten. “Het was al enige tijd bekend dat de elektronen in bepaalde materialen in principe opgesplitst konden worden, maar empirisch bewijs voor het bestaan van spinonen en orbitonen was er nog niet.” De interpretatie van de experimentele gegevens werd mogelijk door de gedetailleerde state-of-the-art berekeningen aan de spindynamica van het materiaal. “Nu we precies weten waar we naar ze moeten zoeken, verwachten we dat we deze nieuwe deeltjes in vele andere materialen zullen vinden.”
Resultaten dragen mogelijk bij aan verklaring hoge-temperatuur supergeleiding
De waarneming van opsplitsing van elektronen zou belangrijke gevolgen voor de zoektocht naar hoge-temperatuur supergeleiders kunnen hebben. Door de overeenkomsten in het gedrag van elektronen in het Sr2CuO3 materiaal en in koper-bevattende supergeleiders, kan een beter begrip van het principe achter de elektronsplitsing mogelijk helpen om het –tot dusverre onbegrepen– fenomeen van hoge-temperatuur supergeleiding verklaren.
Meer lezen:
Paul Scherrer Institute
Wetenschappelijke publicatie:
J. Schlappa, et al.: Spin–orbital separation in the quasi-one-dimensional Mott insulator Sr2CuO3
Bron: Universiteit van Amsterdam
