Динамическое поведение электронов в магнитных полях имеет решающее значение для понимания физических процессов, таких как квантовый эффект Холла, которые важны во многих областях физики твердого тела, включая электропроводность. Тем не менее, многое остается неизвестным о том, как именно электроны ведут себя в магнитном поле.В исследовании, опубликованном сегодня в Nature Communications, исследователи Франко Нори и Константин Блиох из Центра науки о новых веществах RIKEN в Японии в сотрудничестве с экспериментальной группой в Австрии провели первые прямые наблюдения состояний Ландау со свободными электронами. квантованных состояний, которые электроны принимают при движении в магнитном поле, и обнаружил, что внутренняя вращательная динамика квантовых электронов или то, как они движутся в поле, на удивление отличается от классической модели и соответствует недавним квантово-механическим предсказаниям сделано в RIKEN.Экспериментальная группа использовала просвечивающий электронный микроскоп для генерации электронных вихревых пучков нанометрового размера, в которых электроны имели различные квантовые состояния углового момента, а затем проанализировала распространение пучка, чтобы восстановить вращательную динамику электронов в различных состояниях Ландау.
Согласно классической физике, электроны должны равномерно вращаться с так называемой циклотронной частотой, частотой, принятой заряженной частицей, движущейся через магнитное поле. Примечательно, что исследователи обнаружили, что на самом деле, в зависимости от квантового числа, описывающего угловой момент, электроны вращаются тремя разными способами с нулевой частотой, циклотронной частотой и ларморовской частотой, которая составляет половину циклотронной частоты.
Это показывает, что вращательная динамика электронов более сложна и интригует, чем когда-то считалось.По словам Франко Нори, возглавляющего команду RIKEN: «Это очень захватывающее открытие, которое будет способствовать лучшему пониманию фундаментальных квантовых характеристик электронов в магнитных полях и поможет нам лучше понять состояния Ландау и различные связанные физические явления ».